Как при закалке изменяются свойства низкоуглеродистых сталей

Какие изменения свойств происходят при закалке малоуглеродистых сталей

Для придания металлам определённых качеств, например, прочности, их подвергают специальной термической обработке, которая называется закалка. Во время этого процесса металл подвергают нагреву при очень высоких температурах, при этом доводят сталь до критической точки, а затем быстро охлаждают. Для быстрого охлаждения стали могут применяться в качестве охладителя сжатый воздух, водяной туман, жидкая полимерная закалочная среда.

Это сложный вид обработки металла, так как при этом металл становится не только прочным, но и не таким вязким и эластичным, как до обработки. Чтобы металлическое изделие после закалки получило необходимые качества, применяют различные виды закалки. Каким бы способом ни производилась закаливание, необходимо соблюдать определённые меры безопасности.

  1. Если деталь нужно опустить в масляную ванну, делать это только с помощью щипцов с длинными ручками.
  2. Маски для лица использовать только с закалёнными стёклами.
  3. Перчатки для работы должны иметь огнеупорные свойства.
  4. Для изготовления одежды должна применяться огнеупорная ткань.

Типы закалок

По полиморфному превращению

  • Закалка с полиморфным превращением, для сталей
  • Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

По температуре нагрева

Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.



Влияние отпуска на твердость стали

Обычно заключительной операцией термической обработки стали является отпуск. Отпуск придает стальному изделию окончательные свойства. Изменения твердости при отпуске происходит за счет изменений в строении структуры стали. При нагреве выше 100 ºС твердость падает вследствие укрупнения карбидных частиц и обеднения углеродом твердого альфа-раствора.

Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, также как и другие показатели прочности (временное сопротивление и предел текучести), тогда как показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение) возрастают.



Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Твердая цементация стали

При твердой цементации детали укладывают в ящик с карбюрозатором. Карбюрозатор – это науглераживающее вещество, обычно древесный уголь с различными добавками. При температуре 900-950 º кислород воздуха соединяется с углеродом древесного угля с образованием окиси углерода. При соприкосновении с железом оксиь углерода разлагается на углекислый газ и атомарный углерод, который и поглощается поверхностью детали. Твердая цементация применяется в мелкосерийном и единичном производстве, например, в сельских кузницах.

Способы закалки

  • Закалка в одном охладителе
    — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
  • Прерывистая закалка в двух средах
    — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
  • Струйчатая закалка
    заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
  • Ступенчатая закалка
    — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
  • Изотермическая закалка
    . В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
  • Лазерная закалка
    . Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
  • Закалка ТВЧ (индукционная)
    — закалка токами высокой частоты — деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.

Как закалить разнообразную инструментальную сталь в неприспособленных домашних условиях


Для любителей не все методы подходят. Многие способы применимы исключительно в заводских комплексах, потому что они имеют все возможности для осуществления данных процессов.

Читайте также:
Российские производители сварочного оборудования


Мы предлагаем вам воспользоваться нашими советами исходя из того, какой материал будет у вас в работе:

    Для создания домашнего режущего предмета используйте нержавейку;
  • При визуальном осмотре поверхность должна иметь насыщенный оранжевый цвет;
  • Важно соблюдать определенный цикл, где сырье опускают в горячую воду, затем вынимают на воздух приблизительно на пять минут и снова погружают обратно в жидкость;
  • Простые стали имеют темно — вишневый окрас, а среднелегированные материалы приобретают красный оттенок.


Мы предупреждаем, что железо портится, если форсировать скорость нагрева. Тогда вы получите окраску, близкую по цвету к черному или фиолетовому. Она не поддается никакой очистке. Придется выкинуть металл, так как вы не сможете сделать необходимое для вас изделие. Оптимальным считается сталь, которая приобрела кирпичный цвет.

Оснастка


Для поднятия температуры образца подойдут любые приспособления для сжигания углеводородов (газовая горелка, паяльная лампа, резак). В крайнем случае используется костер, где для поддержания каления применяется уголь. Дерево не отдает достаточной энергии тепла. Заметим, что перечисленные способы хороши для обработки детали небольших размеров.


Если вы собираетесь производить закалку на постоянной основе, то придется выстраивать на земле муфельную печь.


Нужно подумать и об охлаждении. Для работы подойдет обыкновенная вода. При выборе емкости нужно учитывать параметры изделия, чтобы оно погрузилось до нужной вам метки. Для расходников или изготовления мелких элементов также нужна тара. А вот при производстве, например, топора или лома потребуется большеразмерная ванна.


Охладитель подбирается с учетом уровня остывания:

  • Если требуется обработать определенный участок, то достаточно облить заготовку. Одинарная методика пригодна для изготовления небольших изделий;
  • Поэтапный процесс включает в себя два приема. Изначально используется Н2О, а далее кипящий углеродистый состав (масло). Это довольно опасная операция , при которой необходимо добиться качества без воспламенения нефтепродукта.

Изготавливаем простой горн

Конечно, можно купить оборудование, но цена на него довольно высокая. Поэтому любители предпочитают самостоятельно выложить печь.


Для постройки нужен особый кирпич, в состав которого входит шамотная глина, способная выдержать температуру нагрева до 2500 градусов. Отличительной чертой материала является выдавленный на лицевой части полукруг размером диаметра 5,5 см.

    Для того чтобы ваш будущий очаг не развалился, можно использовать в качестве крепежа специальный раствор. Но лучше сварить конструкцию из уголка в виде рамки. Поставьте в центр цилиндр (желательно, чтобы он был выполнен из чугуна).


Чтобы конус твердо стоял, его устанавливают на приваренные опорные ребра и делают отметки чертилкой.


Сделайте отрезы по линиям при помощи УШМ.


Приварите ребра и чугунный цилиндр по местам точечным методом. Убедитесь в правильном расположении всех элементов и произведите окончательную сварку.


Переверните каркас в рабочее положение и положите кирпичи, как показано на картинке.


На образовавшуюся выемку установите колосники для подачи воздушных масс снизу в зону горения. Если необходимо накаливание более чем на 1300 ⁰С, то придется установить вентилятор для принудительной подачи кислорода.


К конусу привариваем заглушку для сброса продуктов горения и сам вентилятор.


Собираем полностью всю конструкцию и монтируем на опорах, подходящих под рост мастера. Производим покраску.


На вертикальной трубе обязательно должна быть заслонка, которую используют для очистки колосников.

Как проверить отпуск

Такой нагрев не требует специального оборудования. Умельцам достаточно держать температуру от 200 до 250 ⁰С при помощи духовки обычной газовой или электрической плиты. Для этого достаточным будет время 10–20 минут, после чего заготовку вытаскивают наружу и дают ей остыть. После низкого отпуска наблюдается увеличение твердости и плотности металла.

Дефекты

Дефекты, возникающие при закалке стали.

  • Недостаточ­ная твердость
    закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
    Исправление
    де­фекта
    :
    нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.
  • Перегрев
    связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
    Исправление дефекта
    : отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
  • Пережог
    возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
  • Окисление и обезуглероживание
    стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.
  • Коробление и трещины
    — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Твердость мартенсита

При закалке стали образуется мартенсит. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены. Это затрудняет пластическую деформацию и образование сдвигов. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и выше его твердость. Так, мартенсит в стали, содержащей 0,1 % углерода, имеет твердость примерно 30 HRC, а при 0,7 % углерода – 64 HRC.

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Читайте также:
Как построить ангар своими руками

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

  1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
  2. Быстрое охлаждение.
  3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

  • объемная;
  • поверхностная.

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

  • увеличивается твердость и прочность;
  • уменьшается зерно;
  • снижается гибкость и пластичность;
  • повышается хрупкость;
  • увеличивается устойчивость к стиранию;
  • уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

  1. Нормализация для улучшения структуры.
  2. Нагрев до температуры закалки.
  3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

Читайте также:
Сварка чугуна полуавтоматом обычной проволокой

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

  • марки стали;
  • требуемой твердости;
  • режима работы детали;
  • габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

  • одна часть под закаливаемым изделием;
  • две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

  1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
  2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
  3. Внутри сделать поддон — площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
  4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
  5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
  6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
  7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

  • исправимые;
  • неисправимые.

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Технология процесса и способы закалки стали

Все о технологии закалки стали: что это такое, для чего нужно, какие способы существуют. Температуры, которым подвергается металл. Как изменяются свойства стали. Методы нагрева и среды охлаждения. Оборудование для термообработки. Дефекты при закалке.

Закалка стали проводится для повышения ее твердости, прочности и износостойкости. Это один из видов термической обработки, при котором металл сначала нагревается до температур, изменяющих его структурное состояние, а затем охлаждается таким образом, чтобы он приобрел требуемый физико-химический состав и необходимую кристаллическую структуру. Существует множество способов закалки стали, приводящих к различным результатам, но все они состоят из двух основных циклов: нагрева до критической точки и охлаждения с определенной скоростью до заданной температуры. Еще одна технологическая операция, используемая в процессе закалки металлов, — это отпуск, при котором структурные изменения происходят после нагрева до невысокой температуры с медленным охлаждением. Возможность изменения характеристик стали посредством закаливания во многом связана с ее изначальной кристаллической структурой и химическим составом, в котором самыми важными компонентами являются углерод и легирующие добавки. Именно они определяют, какой будет форма, размер и конфигурация элементов структуры стали после ее термической обработки.

Какие металлы подлежат калению

Закалка металла — это термическая обработка, которой чаще всего подвергаются углеродистые и легированные стали с целью повышения их твердости и улучшения прочностных характеристик. Несколько реже встречается термообработка цветных металлов, в частности отпуск, отжиг и закалка меди, латуни и бронзы, а также сплавов алюминия и титана. Необходимо отметить, что закаливание этих соединений в отличие от углеродистых сталей не всегда приводит к их упрочнению, некоторые сплавы меди после этого, наоборот, становятся более пластичными и мягкими. Гораздо чаще изделия из цветных металлов подвергаются отпуску для снятия напряжения после отливки, штамповки, прокатки или волочения.

Свойства стали после закалки

Углеродистая сталь в процессе нагрева проходит через ряд фазовых изменений своей структуры, при которых меняется ее состав, а также форма и элементов кристаллической решетки. При критической температуре 723 °C в еще твердом металле начинается распад цементита (карбида железа) и формирование равномерного раствора углерода в железе, который называется аустенит. Это состояние углеродистой стали является исходным для закалки.

При медленном охлаждении аустенит распадается, и металл возвращается в исходное состояние. Если же сталь охлаждать быстро, то аустенит не успевает изменяться, и при определенной скорости охлаждения и пороговых температурах формируются кристаллические решетки и химические составы, придающие ей различные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется закалкой, и каждому его виду соответствует определенная структура уже закаленной стали, обладающей определенными техническими характеристиками. Основные фазовые состояния, имеющие значения при закалке, — это перлит, сорбит, троостит и мартенсит (см. рис. ниже).

Читайте также:
Ремонт сорванной резьбы в алюминии

Самая высокая твердость у стали, закаленной до состояния мартенсита. Таким способом производят закаливание режущего инструмента, а также осуществляют упрочнение поверхностей деталей, подвергающихся в процессе работы трению (втулки, обоймы, валы, шестерни и пр.). После выполнения закалки на троостит сталь становится одновременно твердой и упругой. Этой вид термообработки применяют к ударному инструменту, а также рессорам и пружинным амортизаторам. Для получения таких свойств стали, как стойкость к износу, упругость и вязкость, используют закалку до состояния сорбита. Такая термообработка используется для рельсов и других конструктивных элементов, работающих под постоянной динамической нагрузкой. Перечисленные фазовые состояния свойственны всем углеродистым сталям, но каждая их марка характеризуется своими температурными диапазонами и скоростями охлаждения.

Классификация каления стали

Закаливание в одной среде

Ступенчатая закалка

Ступенчатое закаливание проходит в два этапа. На первом изделие помещается в среду с температурой, превышающей на несколько десятков градусов точку начала возникновения мартенсита. После того, как температура выравнивается по всему объему металла, деталь медленно охлаждается, в результате чего в нем равномерно формируется мартенситная структура.

Изотермическая закалка

При изотермическом закаливании изделие также выдерживается в закалочной ванне при температуре, превышающей точку мартенсита, но несколько дольше. В результате этого аустенит трансформируется в бейнит — одну из разновидностей троостита. Такая сталь сочетает в себе повышенную прочность с пластичностью и вязкостью. Кроме того, после изотермической закалки в изделии снижаются остаточные напряжения.

Закалка с самоотпуском

Светлая закалка

Светлая закалка применяется для стальных изделий, поверхности которых при термообработке не должны подвергаться окислению. При такой термообработке сталь нагревается в вакуумных печах (см. фото ниже) или в инертных газовых средах (азот, аргон и пр.), а охлаждается в неокисляющих жидкостях или расплавах. Этим способом закаливают изделия, которые не должны подвергаться дальнейшей шлифовке, а также детали, критичные к содержанию углерода в поверхностном слое.

Оборудование для термообработки сталей

  • муфельные термопечи;
  • устройства индукционного нагрева;
  • установки для нагрева в расплавах;
  • газоплазменные установки;
  • аппараты лазерной закалки.

Первые три вида могут выполнять прогрев всего объема изделия до требуемой температуры, а последние — только поверхностного слоя металла. Кроме того, выпускаются и широко используются печи для закалки металлов, в которых нагрев осуществляется в вакууме или в среде инертного газа.

ПОСМОТРЕТЬ Индукционный нагреватель на AliExpress от 7 506 рублей →

Закалочные ванны представлены стальными емкостями-охладителями для различных жидкостей, а также специальными тиглями из графита и печами для расплавов солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей чаще всего используют минеральное масло, воду и водополимерные смеси. Для расплавов металлов обычно применяют свинец или олово, а для расплавов солей — соединения натрия, калия и бария. Закалочные ванны для жидких сред имеют системы нагрева и охлаждения рабочей жидкости до требуемой температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.

Температура для закалки

Марка стали Температура, С
закалки отжига отпуска
15Г 800 780 200
65Г 815 790 400
15Х, 20Х 800 870 400
30Х, 35Х 850 880 450
40Х, 45Х 840 860 400
50Х 830 830 400
50Г2 805 830 200
40ХГ 870 880 550
ОХ13 1050 860 750
3Х13 1050 880 450
35ХГС 870 860 500
30ХГСА 900 860 210
У7, У7А 800 780 170
Р9, Р12 1250 860 580
Р9Ф5, Р9К5 1250 860 590
Р18Ф2 1300 900 590
ШХ15 845 780 400
9ХС 860 730 170
Р18К5Ф2 1280 860 580
1Х14Н18Б2БРГ 1150 860 750
4Х14Н1482М 1200 860 750

Определение температуры нагрева в промышленном производстве осуществляется посредством контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия широкое распространение получили инфракрасные приборы, позволяющие дистанционно замерять температуру в любой точки поверхности нагретой детали. Кроме того, приблизительную температуру разогрева стали можно определить по цветовым таблицам.

Технология каления металла

От скорости и температурных параметров охлаждения стали, разогретой выше критической точки, напрямую зависит процесс формирования структуры и состава закаленного металла. К примеру, при быстром охлаждении в воде с комнатной температурой можно получить углеродистую сталь с мартенситной структурой, а при охлаждении в масле или горячей воде получается троостит. Каждой марке стали соответствуют свои характеристики и температурные режимы закалки, которые, помимо прочего, зависят от размера и формы детали. Поэтому на производстве термическая обработка деталей проводится в соответствии с маршрутной технологией и операционными картами, разрабатываемыми для каждого изделия.

Способы охлаждения

  1. Охлаждение в одном компоненте. Изделие погружается в жидкость и остается в ней до полного остывания.
  2. Прерывистая закалка в двух охладителях. Изделие сначала помещают в быстроохлаждающую жидкость, а после достижения заданной температуры переносят в среду с медленным охлаждением.
  3. Струйное охлаждение. Разогретая деталь интенсивно орошается потоком охладителя (см. фото ниже).
  4. Обдув. Поверхность изделия обдувается потоком воздуха или инертного газа.

При практическом применении закалки все эти виды охлаждений могут иметь различные вариации или комбинироваться друг с другом.

Среды охлаждения

Структура Среда охлаждения Твердость (HBW)
1 Мартенсит Холодная вода 500÷750
2 Троостит Масло 350÷500
3 Сорбит Воздух 250÷350
4 Перлит С остыванием печи 150÷250

Влияние скорости охлаждения на конечный результат

При закалке стали охлаждение должно идти со скоростью, предотвращающей распад аустенита на феррит и карбид железа, которое начинает происходить при температуре ниже 650 °C. Дальнейшее снижение температуры следует проводить медленнее, т. к. такая скорость обеспечивает уменьшение внутренних напряжений стали. Быстрое и полное охлаждение в холодной воде позволяет получить мартенсит, который обладает максимальной твердостью, но довольно хрупок. При быстром понижении температуры на 200÷300 °C распад аустенита прекращается, а дальнейшее более медленное охлаждение формирует в стали фазовые состояния с меньшей твердостью, но обладающие повышенной прочностью и износостойкостью. Скорость охлаждения регулируется видом используемой закалочной среды и ее температурой (см. таблицу ниже).

Среда охлаждения Скорость охлаждения (град/сек)
1 Воздух 5
2 Минеральное масло 150
3 Вода при комн. t° 700
4 Вода при 80 °C 1400
5 10%-й р-р хлористого натрия 2100
6 10%-й р-р едкого натра 1600

Отличия закаливаемости от прокаливаемости

Дефекты при закаливании стали

Причиной возникновения дефектов при закалке стали является ряд физических и химических факторов, возникающих при отклонении от заданных параметров термического процесса или из-за неоднородности закаливаемой заготовки. Неравномерный нагрев или охлаждение изделия может привести к его деформации и возникновению внутренних трещин. Эта же причина может вызвать неодинаковость фазовых превращений в различных частях изделия, в результате чего металл будет иметь неоднородную по составу и твердости структуру. Пережог стали происходит вследствие проникновения кислорода в поверхностный слой металла, что приводит к возникновению окислов, разъединяющих его структурные элементы и изменяющих физические свойства поверхностного слоя. Причиной обезуглероживания при закалке стали является выгорание углерода при попадании в печь избыточного количества кислорода. Эти виды дефектов неисправимы, а единственный способ борьбы с ними — это проверка герметичности печи или закалка в вакууме и инертных газах.

Окалины и критическое снижение концентрации углерода при калении

Даже небольшая концентрация кислорода в закалочной печи приводит к появлению поверхностной окалины, которая является следствием окисления металла при его термообработке. Эта же причина может вызвать уменьшение количества углерода в поверхностном слое заготовки. Полностью избавиться от таких явлений можно только путем применения вакуумных печей, обеспечивающих так называемую светлую закалку, а также при нагреве изделия в среде азота или аргона. Для минимизации окисления и обезуглероживания закалочная печь должна быть максимально герметичной, что в какой-то мере ограничивает приток кислорода в ее рабочее пространство.

Для закалки металлов рекомендуют использовать трансформаторное или индустриальное масло И-20. Частнику достать его непросто, поэтому хотелось бы услышать в комментариях к этой статье ваше мнение о возможности использования для закаливания стали отработанного автола или другого автомобильного масла.

Закалка стали

Закалка стали – термическая обработка, включающая в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Процесс направлен на улучшение механических характеристик стали, металлов и сплавов.

Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения. Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском. Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

  • повышение твердости;
  • повышение прочностных характеристик;
  • снижение пластичности до допустимой величины;
  • возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

  • нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
  • выдержка, установленная в технологической карте;
  • охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

  • температура нагрева;
  • скорость роста температуры;
  • период выдержки при закалочных температурах;
  • охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Марка стали Температура закалки стали Среда охлаждения после закалочного нагрева Температура отпуска Среда охлаждения после отпуска
У7 800°C вода 170°C вода, масло
У7А 800°C вода 170°C вода, масло
У8, У8А 800°C вода 170°C вода, масло
У10, У10А 790°C вода 180°C вода, масло
У11, У12 780°C вода 180°C вода, масло
Р9 1250°C масло 580°C воздух в печи
Р18 1250°C масло 580°C воздух в печи
ШХ6 810°C масло 200°C воздух
ШХ15 845°C масло 400°C воздух
9ХС 860°C масло 170°C воздух

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас1.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

  • муфельные термические печи;
  • оборудование для индукционного нагрева;
  • установки для нагрева в расплавах;
  • аппараты лазерного нагрева;
  • газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Охлаждающие среды

Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:

  • вода;
  • воздушная или струя или струя инертного газа;
  • минмасло;
  • водополимерные смеси;
  • расплавленные соли – бария, натрия, калия;
  • металлические расплавы – свинцовые или оловянные.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

  • обезуглероживание;
  • окисление поверхности;
  • увеличение внутреннего напряжения;
  • изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Марка Температура, °C Марка Температура, °C
15Г 800 50Г2 805
65Г 815 40ХГ 870
15Х, 20Х 800 3Х13 1050
30Х, 35Х 850 35ХГС 870
40Х, 45Х 840 30ХГСА 900
50Х 830

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Возможные дефекты после закалки

Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:

  • Неравномерный нагрев и/или охлаждение. Приводят к деформациям и образованию трещин, неоднородному составу и неоднородным механическим характеристикам.
  • Пережог. Возникает из-за проникновения кислородных молекул в металлическую поверхность. В результате образуются оксиды, изменяющие рабочие характеристики поверхностного слоя. Этот дефект возникает из-за выгорания из стали углерода, вызванного избыточным количеством кислорода в печи.
  • Попадание в масляную охлаждающую ванну воды. Это нарушение техпроцесса приводит к появлению трещин на изделии.

Все перечисленные выше дефекты являются неисправимыми.

Все о низкоуглеродистой стали

  1. Что это такое?
  2. Основные свойства
  3. Виды
  4. Марки и сферы применения
  5. Сварка

Низкоуглеродистая сталь получила широкое распространение в промышленной и строительной отраслях. Её высокая популярность связана с физико-химическими характеристиками и доступной ценой. Сегодня подробнее поговорим об этом сплаве.

Что это такое?

Сплав железа с углеродом получил название «углеродистая сталь». Включение углеродных компонентов позволяет многократно усилить жесткость готового материала. Эта сталь обладает прочностью и твердостью, но при этом утрачивает свою пластичность. Варьируя количество углерода, можно модулировать свойства металла в соответствии с технической необходимостью. Минимальная концентрация этого элемента в сплаве не превышает уровня в 0,25% — такие составы классифицируются как малоуглеродистые. Низкоуглеродистые стали не изменяются при закалке.

Благодаря пластичности и мягкости их швы с легкостью свариваются сваркой любых типов. К тому же заготовки могут обрабатываться ковкой.

В соответствии с действующими ГОСТ 3800-2005 и 1050-9, помимо железа и углерода, структура низкоуглеродистой стали может включать дополнительные компоненты.

  • Кремний — до 0,3%, повышает физико-механические параметры, особенно прочность, а также ударную вязкость. Повышение концентрации кремния в составе способствует лучшей свариваемости материала.
  • Марганец — до 0,8%, относится к категории полезных добавок. Молекулярное строение марганца напоминает кислород, поэтому он вступает с ним в химическую реакцию и тем самым препятствует формированию окислов железа, то есть ржавчины. Сплавы, подвергнутые легированию марганцем, легче справляются с высокими динамическими нагрузками и проявляют податливость к тепловому воздействию.
  • Сера — до 0,6%, это вредная примесь. Она существенно усложняет обработку сплава прокаткой, ковкой и другими техниками. К тому же материал получается красноломким и плотным, сера ухудшает параметры отпускной хрупкости и понижает плотность сварного шва.
  • Фосфор — до 0,08%, способен искажать кристаллическую структуру связей. Добавка уменьшает выносливость и плотность металла, понижает параметры ударной вязкости. В отдельных случаях включение такой примеси оправдано, поскольку фосфор способствует повышению податливости металлических изделий резанию. Но даже в этом случае его доля не должна превышать 0,1%, иначе происходят нежелательные изменения структуры.
  • Кислород — самая вредная добавка, нежелательный элемент в составе любого металлического сплава. Введение всего лишь 0,001% кислорода может вызвать уменьшение прочности стали на 50%. К тому же кислород препятствует резанию материала.
  • Азот — при включении в сплав формирует нитриты железа. Это довольно хрупкое соединение, которое способно вызвать ухудшение технологических и прочностных характеристик металла.

Из-за своей мягкости низкоуглеродистая сталь не позволяет выполнять точную обработку поверхностей. Однако благодаря вязкости и пластичности материал можно включать в производственный цикл по созданию цементируемых заготовок и элементов для дальнейшей сварки.

Обрабатываемость такой стали низка — поверхности содержат много шероховатостей.

Основные свойства

Основное свойство низкоуглеродистой стали — это пониженный предел прочности, при этом вязкость и пластичность материала, напротив, довольно высоки. Некоторые марки такой стали могут использоваться для создания цементируемых конструкций, которые требуют дополнительной герметизации с целью получения определённой степени твердости и придания заготовкам стойкости к износу в результате дальнейшей обработки. Именно поэтому изделия из низкоуглеродистой стали хорошо куются и легко свариваются.

Технико-эксплуатационные характеристики такого сплава не позволяют проводить с ним полноценную обработку. Однако если воспользоваться техникой холодного волочения и нормализации — можно оптимизировать структуру материала и улучшить параметры обрабатываемости металлической поверхности. Благодаря пластичности низкоуглеродистые составы успешно подвергаются холодной деформации, не утрачивая при этом своих технико-механических характеристик. Это связано с тем, что локальное перенапряжение распределяется по всей поверхности равномерно и предотвращает растрескивание. Такую сталь можно подвергать сварке и закаливанию.

В то же время, в соответствии с диаграммой растяжения, низкоуглеродистые сплавы имеют свои недостатки:

  • пониженная прочность Те = от 330 до 460 мПа, Сто, 2 = от 200 до 280 мПа;
  • низкая ударная вязкость;
  • высокая чувствительность к механическому старению металла.

При любых, даже минимальных поворотных нагрузках, низкоуглеродистая сталь ощущает концентрацию напряжения. Именно поэтому изделия, подвергающиеся подобным воздействиям, из нее не изготавливают.

По качеству

По качественному признаку выделяют два типа стали.

  • Обыкновенного качества — к подобному сплаву не предъявляют жестких требований, это относится и к шихте, и к процессам плавки. Присутствие фосфора в таком материале не должно выходить за отметку 0,08%, серы — 0,06%. Этот материал разливают в габаритные слитки, потому для них типично возникновение зональной ликвации.
  • Качественная машиностроительная — такие стали выполняются в жестких условиях. Их отличает минимальное присутствие вредных примесей, доля серы и фосфора не должна подниматься выше уровня в 0,04%. Обычно такой материал маркируется словом «сталь», а также цифрами, которые обозначают долю карбидов, измеренную в сотых долях процентов.

Так сталь 08 и 10 широко востребована в ответственных узлах машино- и станкостроения. Из нее выполняют прокладки, втулки, змеевики и другие элементы. Перед работой такие детали в обязательном порядке подвергают термохимическому отверждению, чаще всего цементации. Сталь 15, 20 и 25 востребована для создания работающих на износ узлов, которые не связаны с повышенными механическими нагрузками — толкатели, клапаны, всевозможные рычаги и шестерни.

По способу получения

Цикл производства низкоуглеродистой стали состоит из нескольких шагов:

  • погрузка чугуна и лома в печь;
  • термовоздействие до достижения плавления;
  • удаление вредных добавок.

Далее производится дополнительная обработка инертными газами либо вакуумом. Если необходимости в ней как таковой нет, то выполняется разливка стали.

Выделяют три основных технологии создания низкоуглеродистой стали.

  • Мартеновские печи — наиболее распространённый метод получения сплава. В данном случае плавка производится на протяжении нескольких часов. Столь длительный период работы позволяет контролировать качество получаемого металлического состава.
  • Конвекторные печи — подобный сплав получается благодаря подведению кислорода. Полученные подобным методом материалы содержат значительную долю примесей, потому не могут похвастаться высоким качеством.
  • Электрические и индукционные печи — в процессе производства таких сталей используется шланг. На выходе получаются специализированные сплавы самого высокого качества.

По условиям проведения раскисления

По данному критерию все типы низкоуглеродистых сплавов разделяются на три категории.

  • Спокойные — содержат минимальную концентрацию оксидов железа, благодаря чему выплавка производится без интенсивного выделения углекислоты. Такая реакция достигается за счёт введения в структуру стали марганца, кремния и алюминия, выполняющих роль раскислителя. В результате все выделяющиеся газообразные вещества накапливаются в осадочной раковине. Это позволяет получить плотный металл с однородной структурой.
  • Кипящие — такие сплавы раскисляются только марганцем. Для них типична повышенная концентрация окислов железа в структуре. Плавка сопровождается активным выделением углекислоты, благодаря чему складывается впечатление, словно металл кипит. Эти сплавы имеют менее однородный состав, их прочность невысока, но при этом и цена их на порядок ниже остальных.
  • Полуспокойные — для нейтрализации кислорода в состав подобных сплавов включают марганец и алюминий. Этот сплав по своим эксплуатационным характеристикам представляет «золотую середину» между спокойным и кипящим составами.

Марки и сферы применения

Маркировка малоуглеродистой стали включает набор букв и цифр. Буквенное обозначение представлено символами «СТ» — первые две буквы от слова «сталь». Следующее за ним числовое значение нужно разделить на 100. Получившееся частное укажет на процентную долю углерода в структуре. К примеру, маркировка СТ20 означает, что в этом составе содержится 0,2% углерода. Для справки: В некоторых случаях обозначение «СТ» не используют.

Далее идет кп/пс — они указывают на кипящий либо полуспокойной сплав. Если подобное обозначение отсутствует, это значит, что сталь спокойная. Следом идут буквы и числовые обозначения, которое указывают на присутствие добавок и их концентрацию. Так, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий. Также может использоваться цветовой маркер. Низкоуглеродистый сплав 10 часто имеет выраженный белый колер. Для сталей специализированного назначения используются дополнительные символы: К — востребована в производстве котлов; ОсВ – востребована при создании вагонных осей и подобных изделий.

С учетом маркировки варьируется и направление применения сталей.

  • 05кп, 08, 08кп, 08ю — нужны для производства арматурной проволоки. Этот материал проявляет высокую эластичность, благодаря чему нашел применение в холодной вытяжке и штамповании. Из него изготавливают также некоторые топливные котлы, змеевики, фрагменты сварных конструкций и кузовные детали для автомобилестроения.
  • 10 и 15 — востребованы для создания заготовок изделий, не подвергающихся повышенным нагрузкам. Это бывает штамповка, болты, винты, муфты и трубы для котлов.
  • 18кп — применяется при производстве конструкций методом сварки.
  • 20 и 25 — получили распространение при создании крепежей, в частности клапанов, толкателей и прочих элементов сельхозтехники.
  • 30-35 — идут на создание звёздочек, шестерней и других осей, испытывающих низкие нагрузки.
  • 40, 45 и 50 — подходят для элементов, которые в ходе эксплуатации сталкиваются с нагрузками средней величины. Сюда относятся фрикционные диски и коленвалы.
  • 60-85 — такие стали подвергаются самой сильной нагрузке. Из них делают рессоры, колёса для кранов и даже рельсы для нужд железной дороги.

Таким образом, ассортимент продукции, изготавливаемой из малоуглеродистой стали, очень обширен — начиная от простой проволоки до сложных механизмов.

Сварка

Сварка низкоуглеродистых сплавов имеет свои особенности. Так, электроды, их размеры и техника сваривания подбираются с учетом основных технических требований.

  • Соединение должно быть как можно более крепким.
  • Не допускается наличие дефектов шва.
  • Химический состав и структура шва должны производиться в точном соответствии с действующими нормативами.
  • Качество сварочных соединений должно отвечать эксплуатационным условиям. От них требуется стойкость к температурному режиму, вибрационным колебаниям и механическим воздействиям.

При этом для низкоуглеродистой стали могут использоваться самые разнообразные типы сварки, начиная от простейшей газовой и ручной дуговой до сварки плавящимся электродом в углекислоте.

При выборе методики учитывают повышенную плавкость низколегированных и малоуглеродистых составов.

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Технология закалки

Режим закалки определяется температурой, временем выдержки, скоростью охлаждения, используемой охлаждающей средой.

Способы закалки стали:

  • в одном охладителе – применяется при работе с деталями несложной конфигурации из углеродистых и легированных сталей;
  • прерывистый в двух средах – востребован для обработки высокоуглеродистых марок, которые сначала остужают в быстро охлаждающей среде (воде), а затем в медленно охлаждающей (масле);
  • струйчатый – обычно востребован при частичной закалке изделия, осуществляется в установках ТВЧ и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды;
  • ступенчатый – процесс, при котором деталь остывает в закалочной среде, приобретая во всех точках сечения температуру закалочной ванны, окончательное охлаждение осуществляют медленно;
  • изотермический – похож на предыдущий вид закалки стали, отличается от него временем пребывания в закалочной среде.

Типы охлаждающих сред

От правильного выбора охлаждающей среды во многом зависит конечный результат процесса.

    Для поверхностной закалки и работы с изделиями простой конфигурации, предназначенными для дальнейшей обработки, применяется в основном вода. Она не должна содержать соли и примеси моющих средств, оптимальная температура +30°C.

Внимание! Использовать этот способ охлаждения для деталей сложной конфигурации не рекомендуется из-за риска появления трещин.

  • Для изделий сложной формы применяют 50% раствор каустической соды, который нагревают до +60°C. При использовании такого состава для охлаждения сталь приобретает светлый оттенок. Пары каустической соды вредны для здоровья человека.
  • Для тонкостенных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, применяются минеральные масла, обеспечивающие постоянную температуру охлаждения, не зависящую от температуры окружающей среды. Главное условие, которое необходимо соблюдать при охлаждении сталей после закалки, – отсутствие воды в минеральных маслах. Недостатки процесса: выделение вредных для человека паров, возможность возгорания масла, образование налета, постепенная потеря эффективности охлаждающего состава.
  • Внимание! Для работы с изделиями из углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Оно состоит из двух этапов. Первый – охлаждение детали в воде, второй, после +200°C, – в масляной ванне. Перемещение из одной охлаждающей среды в другую должно производиться очень быстро.

    Какие стали можно закаливать?

    Процедурам закалки и отпуска не подвергается прокат и изделия из него, изготовленные из малоуглеродистых сталей типа 10, 20, 25. Этот вид термообработки эффективен для углеродистых сталей (45, 50) и инструментальных, у которых в результате твердость увеличивается в три-четыре раза.

    Таблица режимов закалки и областей применения для некоторых видов инструментальных сталей

    Закалка стали

    Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

    Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.

    В большинстве случаев основная цель закалки – повышение твёрдости и прочности – достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур – мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

    В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

    В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной.

    При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных – аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

    Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ.

    Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80. 100 НВ. Цементит же – весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

    Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали.

    Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных – неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

    Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью.

    Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30. 50 0С выше линии GSK (рис 2)

    Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.

    Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

    Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении.

    Рис.3 Диаграмма распада аустенита для стали эвтектоидного состава.

    На диаграмме (см. рис 3) нанесены две линии, имеющие форму буквы «С», так называемые «С-кривые». Одна из них (левая) указывает время начало распада переохлажденного аустенита при разных температурах, другая (правая) – время окончания распада, В области, расположенной левее линии начала распада, существует переохлажденный аустенит. Между С-кривыми имеется как аустенит, так и продукты его распада. Наконец, правее линии конца распада существуют только продукты превращения.

    Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550. Mн, – его превращение называется промежуточным.

    В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. С увеличением степени переохлаждения в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает число центров. Уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1. 650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре.

    Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650. 590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом.

    При ещё более низких температурах 590. 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Указанные деления перлитных структур в известной степени условно, так как дисперсность смесей монотонно возрастает с понижением температуры превращения. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 180. 22- НВ (8. 19 HRC), сорбита – 250. 350 НВ (25. 38 НRС), тростита – 400. 450 НВ (43. 48HRC).

    При переохлаждении аустенита до температур 550. МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 450. 550 НВ.

    Рис.4 Диаграмма распада аустенита для доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталей.

    На диаграммах распада аустенита для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис.4.) имеется дополнительная линия, показывающая время начала выделения из аустенита избыточных кристаллов феррита или цементита. Выделение этих избыточных структур происходит только при небольших переохлаждениях. При значительном переохлаждении аустенит превращается без предварительного выделения феррита или цементита, В этом случае содержание углерода в образовавшейся смеси отличается от эвтектоидного.

    В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Для того, чтобы определить структуры, получающиеся при непрерывном охлаждении, нанесём на диаграмму распада аустенита кривые скорости охлаждения образцов углеродистой эвтектоидной стали (рис.5.).

    Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей.

    Рис.5. Кривые распада аустенита при непрерывном охлаждении эвтектоидной стали.

    При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной.

    Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода

    В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как Vкр и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки – важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

    Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической.

    При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей – операции отпуска.

    Отпуск стали. Термообработка, обычно проводящаяся после закалки.

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    gmnu-nazarovo.ru
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: