Закалка металла: технология и способы закаливания стали

• Что такое закалка?
• Общие сведения о технологии упрочнения
• Термическая обработка
• Химико-термическая обработка
• Зачем нужна?
• Свойства
• Какие металлы подвергаются закалке?
• Способы
• Методы охлаждения
• Возможные дефекты после закалки

Закалка металла представляет собой важный процесс в металлообработке, позволяющий значительно улучшить физические характеристики стали и других металлов. Этот процесс включает в себя строго контролируемые этапы нагрева и быстрого охлаждения, что делает его неотъемлемой частью производства качественных металлических изделий.

Что такое закалка?

Закалка – это сложный и многоступенчатый процесс термической обработки металлов, преимущественно стали, целью которого является увеличение их твердости и прочности за счет изменения внутренней микроструктуры. Данный процесс включает в себя нагрев металла до температур выше критических (обычно в диапазоне от 800°C до 1300°C для различных марок стали), выдержку в этом состоянии в течение определенного времени и последующее быстрое охлаждение.

Точная температура нагрева зависит от химического состава металла и может варьироваться в широких пределах. Например, для углеродистых сталей она обычно составляет 800-900°C, тогда как для некоторых высоколегированных сталей может достигать и 1300°C. Ключевым моментом здесь является достижение температуры, при которой происходит полное превращение микроструктуры в аустенит.

Быстрое охлаждение, например, в воде, масле или воздухе, способствует образованию мартенсита – чрезвычайно твердой, но хрупкой фазы стали. Скорость охлаждения должна быть достаточной для предотвращения образования более мягких и пластичных фаз, таких как феррит и перлит, которые могут снизить эффективность закалки.

Выбор закалочной среды (вода, масло, воздух, солевые или полимерные растворы) зависит от требуемых свойств конечного изделия и его состава. Вода обеспечивает наиболее интенсивное охлаждение, но может вызвать появление трещин или искажений из-за высоких температурных напряжений. Масло охлаждает медленнее, что снижает риск трещин, но может не обеспечить достаточной твердости для некоторых приложений. Воздушное охлаждение является самым мягким методом и применяется для материалов, чувствительных к резким температурным перепадам.

Общие сведения о технологии упрочнения

Технология является ключевым элементом в современной металлургии и машиностроении, позволяя значительно улучшить механические свойства металлов, такие как твердость, прочность на растяжение и износостойкость.

Термическая обработка

Закалка представляет собой процесс нагрева стали до критических температур, зависящих от состава, обычно это 30-50°C выше точки Ас3 для доэвтектоидных (до 0,8% углерода) и 30-50°C выше точки Ас1 для заэвтектоидных (более 0,8% углерода), с последующим быстрым охлаждением. Скорость охлаждения должна быть достаточно высокой для предотвращения образования феррита и перлита, что приводит к формированию мартенситной структуры, характеризующейся высокой твердостью.

Отпуск проводится сразу после закалки и включает нагрев до температур ниже критических (от 150°C до 650°C, в зависимости от требуемых свойств) с последующим медленным охлаждением. Этот этап позволяет снизить внутренние напряжения, увеличить вязкость и усталостную прочность, при этом частично снижая твердость.

Нормализация применяется для улучшения технологических свойств стали, таких как обрабатываемость и однородность структуры. Процесс включает нагрев выше критической точки и воздушное охлаждение в условиях медленнее, чем при закалке, что приводит к формированию более мелкозернистой и однородной структуры.

Химико-термическая обработка

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом при высоких температурах с последующей закалкой и отпуском. Это увеличивает твердость и износостойкость поверхности при сохранении вязкости основного материала.

Нитрование проводится путем насыщения поверхности стали азотом при более низких температурах, чем цементация, что приводит к образованию твердых нитридов на поверхности, повышая ее износостойкость и усталостную прочность.

В последние годы активно развиваются технологии лазерной и электронно-лучевой обработки, позволяющие проводить точечное упрочнение с высокой степенью контроля над процессом. Эти методы открывают новые возможности для улучшения свойств сложнопрофильных и высокоточных изделий.

Зачем нужна?

Закалка стали особенно значима для изготовления деталей машин, транспортных средств и других конструкций, где требования к прочности и долговечности особенно высоки.и

Основная цель — увеличение твердости. Это достигается за счет формирования мартенситной структуры, которая обладает гораздо большей твердостью, чем ферритная или перлитная структуры, типичные для необработанной стали. Твердость может достигать значений 60-65 по шкале Роквелла (HRC), что в разы выше, чем до обработки.

С увеличением твердости повышается и износостойкость материала. Это крайне важно для деталей, подвергающихся интенсивному трению или воздействию абразивных материалов. Благодаря закалке, например, режущие инструменты сохраняют остроту намного дольше.

Несмотря на то, что мартенситная структура характеризуется повышенной хрупкостью, правильно проведенная закалка с последующим отпуском позволяет достичь высокой устойчивости к ударным нагрузкам.

Обладает повышенной усталостной прочностью, то есть способностью выдерживать многократные, переменные нагрузки без образования усталостных трещин. Это особенно важно для компонентов, работающих в условиях циклических нагрузок, например, в автомобильной и авиационной промышленности.

Позволяет использовать более тонкие и легкие детали без потери прочности и долговечности, что приводит к снижению металлоемкости изделий и сокращению затрат на сырье.

Современные технологии закалки включают использование различных сред для охлаждения (вода, масло, воздух), что позволяет точно контролировать процесс и достигать необходимых характеристик в зависимости от типа стали и требований к конечному продукту. Разработка новых сплавов и улучшение технологий термообработки открывают новые возможности для повышения качества и расширения областей применения закаленной стали.

Свойства

Результатом обработки становится значительное улучшение характеристик стали, что делает её пригодной для широкого спектра применений.

• Увеличение твердости. Может варьироваться от 40 до 65 единиц по шкале HRC, что делает её идеальной для производства инструментов.
• Повышение прочности. Прочность определяется её способностью сопротивляться деформации и разрушению под воздействием внешних сил. Закалка увеличивает предел прочности, что делает её более устойчивой к механическим нагрузкам.
• Износостойкость. Сталь обладает высокой сопротивляемостью к абразивному износу, что критически важно для деталей машин и механизмов, подвергающихся интенсивному трению.
• Улучшение усталостной прочности. Усталостная прочность — это способность материала сопротивляться разрушению под действием циклически изменяющихся нагрузок. Закалка и последующий отпуск значительно улучшают усталостную прочность, что критически важно для компонентов, работающих в условиях переменных нагрузок, например, в автомобильной и авиационной промышленности.
• Влияние на коррозионную стойкость. Хотя процедура сама по себе не направлена на улучшение коррозионной стойкости, последующие процессы, такие как отпуск и дополнительные виды химико-термической обработки (например, цементация или нитрование), могут повысить устойчивость стали к коррозии.

Какие металлы подвергаются закалке?

Не все металлы и сплавы поддаются закалке одинаково эффективно, поэтому выбор материала для закалки определяется его химическим составом и структурными характеристиками. Основные типы металлов:

Эффективность закалки углеродистых сталей напрямую зависит от содержания углерода: стали с углеродным содержанием от 0.3% до 0.6% обладают хорошей закаливаемостью и достигают высокой твердости и прочности после обработки. Стали с более высоким содержанием углерода (до 0.8% и выше) также поддаются закалке, но могут стать слишком хрупкими, если процесс не будет сопровождаться отпуском.

Легированные виды содержат один или несколько легирующих элементов (таких, как хром, никель, молибден), которые улучшают их закаливаемость и позволяют достигать высокой твердости в более глубоких слоях изделия по сравнению с углеродистыми. Такие стали обычно используются в условиях, где требуются особенно высокие характеристики прочности и устойчивости к ударным нагрузкам.

Инструментальные стали, включая быстрорежущие, обладают высоким содержанием легирующих элементов и предназначены для изготовления инструментов, работающих в условиях высоких температур и нагрузок. Закалка таких сталей позволяет значительно увеличить их износостойкость и срок службы.

Некоторые цветные металлы и их сплавы также могут подвергаться закалке, однако этот процесс и его результаты сильно отличаются от обработки. Например, алюминиевые сплавы поддаются закалке с целью увеличения прочности за счет формирования твердых выделений в твердом растворе. Такие сплавы, как дюралюминий, проходят через процессы растворения, закалки и естественного или искусственного старения для достижения необходимых механических свойств.

Способы

Классическая включает нагрев стали до температуры аустенитизации, которая для углеродистых сталей составляет от 727°C до около 1200°C, в зависимости от содержания углерода и легирующих элементов. Затем следует быстрое охлаждение, часто в воде или масле. Именно скорость охлаждения определяет формирование мартенситной структуры, обеспечивающей высокую твердость.

Изотермическая заключается в нагреве стали до температуры аустенитизации, последующем охлаждении до более низкой температуры, где происходит превращение аустенита в бейнит, и удерживании стали при этой температуре до завершения превращения. Такой подход позволяет получить предсказуемую структуру без излишней хрупкости.

При дифференциальной закалке разные части изделия охлаждают с разной скоростью для достижения различной твердости и прочности в зависимости от требований к конкретным участкам изделия. Этот метод часто используется в изготовлении инструментов и лезвий.

Методы охлаждения

Один из самых быстрых способов охлаждения, который обеспечивает быстрое формирование мартенсита. Высокая скорость охлаждения может привести к появлению напряжений и трещин.

Масло обеспечивает более медленное охлаждение по сравнению с водой, что снижает появление трещин и напряжений в материале. Этот метод подходит для сталей, которые требуют более мягкой закалки и являются более чувствительными к внутренним напряжениям.

Воздушное охлаждение представляет собой самый медленный метод охлаждения, используемый в процессе. Оно применяется для легированных сталей с высокой закаливаемостью, где требуется меньшая скорость охлаждения для предотвращения деформации и трещин.

Специализированные среды, такие как соляные растворы или полимерные ванны, могут использоваться для достижения конкретных скоростей охлаждения, необходимых для определенных типов сталей. Эти методы позволяют точно контролировать процесс охлаждения, минимизируя риски деформации и обеспечивая равномерное охлаждение.

Возможные дефекты после закалки

Несмотря на множество преимуществ закалки стали, процесс может привести к появлению определенных дефектов, влияющих на качество и эксплуатационные свойства изделий.

• Трещины  могут возникнуть из-за чрезмерных внутренних напряжений и различий в скорости охлаждения разных частей изделия. Особенно это актуально для сложных по форме деталей.
• Деформация. Неоднородное охлаждение может привести к деформации изделия, что особенно критично для деталей с высокими требованиями к точности размеров. Деформация может потребовать дополнительной механической обработки, что увеличивает стоимость производства.
• Обезуглероживание. При нагреве в окислительной атмосфере на поверхности стали может произойти обезуглероживание, что снижает ее твердость и прочность. Этот дефект часто встречается при неправильной подготовке поверхности перед закалкой.
• Неполное превращение. Если температура закалки или скорость охлаждения были недостаточными, может произойти неполное превращение аустенита в мартенсит, оставляя на его месте остаточный аустенит, который снижает общую твердость и прочность материала.
• Внутренние напряжения. Даже в отсутствие видимых трещин и деформаций, в материале могут оставаться значительные внутренние напряжения после закалки, которые могут привести к дефектам при последующей эксплуатации изделия.