Закалка стали (определение, назначение, режимы, разновидности способов закалки).

Специальный вид обработки материалов термическим способом называется закалка. Ей подвергают металлы, стекло, металлические сплавы. Смысл состоит в том, чтобы посредством температуры изменить тип кристаллической решётки материала или растворить те структуры, которые находятся внутри материала при более низких температурах.

После воздействия высокой температурой предмет резко охлаждают тем или иным способом, например, водой, струёй холодного сжатого воздуха, полимерной средой и т. п. Также для охлаждения применяют масло. Благодаря этому материал становится твёрже. Это знали ещё воины древности и использовали его для увеличения крепости своего оружия.

Что представляет собой закалка металлов

Это специальный вид термической обработки металлов, при котором нагревание продолжается до изменения структуры кристаллической решётки, что называется полиморфным превращением. Далее металл очень быстро охлаждают, например, в масле. Смысл таких действий — повысить твёрдость металла, подвергнутого термообработке.

Следует различать понятия металл и сталь. Металл — это химические элементы, обладающие общими схожими свойствами, представлены в периодической таблице. Сталь — это сплав железа с другими веществами, как правило, с углеродом.

Виды металлов:

Читайте также:  Ножи из дамасской стали 40Х13-Х12Ф1 (Нержавеющий дамаск)

• чёрные;
• цветные;
• драгоценные.

Нагрев металла до такой температурной отметки, при которой не происходит разрушения кристаллической решётки, именуется перенасыщенным твёрдым раствором. Применяется для придания хрупкости металлическим изделиям. Для цветных металлов применяют ещё более низкие температуры.

Придание твердости

Для придания металлу твёрдости желательно после обработки охлаждать его в ванной с проточной водой. Эффективность такого действия возрастает, если применять соляный раствор. Вместо соли применяют также слабый раствор серной кислоты.

Закалить металл возможно даже в походно-полевых непромышленных условиях. Сделать это можно используя отжиг в печи. Рисунок такой печи легко можно найти в сети. Правда, дефекта стали избежать вряд ли получится. Кстати, охлаждение объекта только в одном виде охладителя называется непрерывным. Прерывным охлаждение будет называться, если изделия попеременно переносят из одного охладителя в другой. Например, из воды в масло — оно будет подвергаться прерывистой закалке. Закалка самоотпуском, когда охлаждению подвергают изделие только снаружи, оставляя горячей середину. Впоследствии середина распределяет тепло наружу, сравнивая температуру по всему объекту.

Увеличение пластичности

Для обратной процедуры, то есть когда нужна пластичность, а не хрупкость, осуществляют процедуру отпуска. Закалка и отпуск стали, это особый, ступенчатый вид термической обработки, который проводится в условиях постепенного охлаждения металлов. Самоотпуск не даёт развиваться критическому напряжению в сплаве.

Ещё одна процедура закалки называется старением, когда металлические сплавы повторно подвергают температурному воздействию, доводя до состояния перенасыщенного раствора.

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной, температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на феррито-карбидную смесь, переохладился ниже точки Мп . Для этого скорость охлаждения изделия должна-быть выше критической.

Критическая скорость охлаждения — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на феррито-карбидную смесь.

Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре — меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость — одна из важнейших характеристик стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны.

Прокаливаемость зависит прежде всего от критической скорости охлаждения.

Увеличение температуры нагрева и времени выдержки перед закалкой приводит к выравниванию концентрации у-раствора и к росту аустенитного зерна, т. е. повышает устойчивость переохлажденного аустенита. Поэтому с ростом температуры нагрева , и выдержки перед закалкой прокаливаемость стали увеличивается, причем первый фактор более эффективен.

Очень сильно на прокаливаемость влияет химический состав аустенита. С повышением концентрации углерода в аустените он делается устойчивее и критическая скорость закалки уменьшается. Наименьшей критической скоростью, т. е, наилучшей прокаливаемостью, обладают стали, состав которых близок к эвтектоидному.

Увеличение прокаливаемости при легировании используют в двух направлениях.

Во-первых, применение легированной стали обеспечивает сквозную прокаливаемость в таких больших сечениях, которые невозможно прокалить насквозь, если использовать углеродистую сталь.

Во-вторых, для изделий небольшого сечения замена углеродистой стали легированной позволяет перейти к менее резкому закалочному охлаждению. Применяя углеродистую сталь, можно прокалить насквозь изделие небольшого сечения, если применять закалку в воде. Но при этом могут возникнуть недопустимо большие остаточные напряжения, а также коробление и трещины, особенно в изделиях сложной формы. Применение легированной стали позволяет заменить закалку в воде более мягкой закалкой в эмульсии, масле или даже на воздухе.

Характеристики прокаливаемости

Читайте также:  Графитовая смазка аэрозоль применение

Простейшей характеристикой является глубина прокаливаемости изделия в определенном охладителе. Глубину прокаливаемости можно определить методом пробной закалки по излому, макрошлифу и распределению твердости в сечении изделия. Закаленная на мартенсит сталь хрупка; в закаленной зоне изделие имеет ровный мелкозернистый, матово-серый, часто фарфоровидный излом. Непрокаленная сердцевина — более вязкая; у нее неровный, шероховатый, слегка волокнистый излом. Граница между этими двумя зонами очень хорошо видна в изломе.

Характеристикой прокаливаемости может служить также критический диаметр- диаметр максимального сечения, которое в данном охладителе прокаливается насквозь.

Для определения прокаливаемое™ углеродистых и легированных сталей, за исключением закаливающихся на воздухе, широко применяют стандартный метод торцовой закалки (метод Джомини). Стандартный образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под определенным напором только с торца. После полного охлаждения образца по его двум диаметрально противоположным образующим сошлифовывают площадки на глубину 0,5 мм. По длине этих площадок через 1,5—3 мм измеряют твердость по шкале НRС и строят кривую прокаливаемости в координатах твердость — расстояние от торца. Чем меньше прокаливаемость стали, тем быстрее падает твердость при удалении от торца.

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ СТАЛЕЙ

Объемная закалка сталей

При объемной закалке изделие нагревают до заданной температуры, одинаковой по всему объему

Нагрев под закалку

Продолжительность выдержки при температуре нагрева должна быть такой, чтобы прошла гомогенизация аустенита. Скорость нагрева желательно иметь максимальной для повышения производительности. При закалке с высоких температур некоторых высоколегированных сталей для уменьшения термических напряжений используют ступенчатый нагрев.

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных трещин в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает и в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале. Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

Читайте также:  Классификация конструкционных сталей. Свойства конструкционной стали

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650—400° С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку в двух средах .Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки в воде переносят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло.

Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале — ступенчатая закалка. Нагретое до температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горячей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде.

Разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще невелико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются. Но править изделие при этом уже нельзя. При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей. Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного’ превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической или бейнитной закалкой.

Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

Разновидности стали и закалки

Различают следующие виды стали:

• строительные;
• инструментальные;
• жаропрочные;
• жаростойкие;
• конструкционные и т. д.

В зависимости от химических свойств и состава применяют различные способы закаливания стали. Например, для доэвтектоидных марок применяется температура закаливания не выше 60 градусов. Критическая скорость в таком случае составляет шаг в десять градусов. Тогда при охлаждении выше, чем критическая скорость закалки, однородная структура стали преобразуется в неоднородный мартенсит, то есть произойдёт полная закалка. Полный способ необходим для цельных изделий. И наоборот, если в неоднородной среде будут остатки феррита, закалка считается неполной, твёрдость закаленной вещи при этом будет снижена.

Неполная закалка стали подходит для заэвтектоидных видов твёрдых сортов. Продукция из нержавеющей стали выпускается для различных отраслей и направлений в народном хозяйстве. Поэтому в заводских условиях, ранжировав по видам применения изделий, проводится разогревание не только всего изделия, но и какой-то его части, предназначенной для выполнения определённых видов работ. Например, закалённая сталь используется в наконечниках для буров в нефтяной и газовой промышленности. Такой способ обработки называется локальным, если закаляется весь предмет, то глобальным.

Если процесс нагрева осуществляется по принципу изотермического расщепления аустенита при температурном режиме, температура закалки стали доходит до 300 градусов, а в качестве охладителя используется соляной раствор или масло, также с температурой до 300 градусов — она называется изотермической. Изотермический процесс применяют, когда требуется дальнейшее формирование изделия, например, шлифовка, рихтовка, графические работы. Такой вид калёной стали легко поддаётся механической обработке.

С помощью муфельной печи можно легировать сплав даже своими руками на дому. Речь, разумеется, не идёт о квартире. Правда, различного рода дефектов, начиная от изменения цвета и заканчивая всеми остальными параметрами, не избежать. В сельской местности мастера отжиг стали делают самостоятельно. Это когда у целого стального изделия закаляется определённая часть или сторона. Например, режущая кромка пилы. Однако закаливаемость при таком способе будет низкой.

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 31Следующая ⇒

Закалка — термическая обработка стали путем ее нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки при этой температуре до завершения фазовых превращений с быстрым последующим охлаждением в воде, масле и других жидкостях. При закалке увеличиваются твердость и прочность, но снижается ударная вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического использования

Закалка подразделяется на:

• закалку в одном охладителе. Нагретую деталь из углеродистой или легированной стали погружают в закалочную жидкость, до полного охлаждения закаливаемого металла;

• прерывистую закалку, которая производится в двух средах. Сначала деталь быстро остужают в первичной среде (например, воде), а затем в медленно охлаждающей жидкости (масло). Такой способ применим для изделий из высокоуглеродистых сталей;

• струйчатую закалку, при которой деталь обрызгивают струей воды. Паровая пленка при этом не образуется и, как правило, этот способ используют для закалки части изделия. Струйчатая закалка обеспечивает более глубокую степень прокаливаемости, чем обычная закалка в воде. Используется при закаливании индукторов на установках ТВЧ;

• ступенчатую закалку производят в закалочной среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки для данной марки стали. При охлаждении и последующей выдержке в этой среде закаливаемый металл должен приобрести температуру закалочной ванны во всех точках сечения. После этого следует окончательное медленное охлаждение, в процессе которого и происходит непосредственно закалка;

• изотермическая закалка. Деталь выдерживают в закалочной среде до тех пор, пока не произойдет изотермическое превращение кристаллической решетки с образованием аустенита.

Виды отпуска закаленной стали (определение, назначение, режимы).

Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и поэтому она обладает значительной хрупкостью. Для улучшения свойств стали и увеличения долговечности ее службы необходимо снять внутренние напряжения или хотя бы уменьшить их. Для этого инструменты и изделия из стали после закалки почти всегда подвергаются повторному нагреву до температур, лежащих ниже критической температуры Aci, (723°), и после некоторой выдержки при температуре нагрева медленно или быстро охлаждаются.

Этот вид термической обработки стали называется отпуском.

Даже в тех случаях, когда изделие должно иметь максимальную твердость, оно подвергается после закалки отпуску для снятия внутренних напряжений. С помощью отпуска можно достигнуть также распада мартенсита и повышения благодаря этому пластичности и вязкости стали при сохранении достаточно высокой прочности.

Наиболее важной операцией при отпуске является нагрев. Результаты отпуска определяются температурой нагрева изделия и достаточной выдержкой его при этой температуре. Поэтому особенное внимание должно быть уделено правильному выбору температуры нагрева и ее поддержанию во время отпуска. В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, температура отпуска колеблется в пределах от 150 до 680°.

Нагревать изделия до температуры отпуска следует постепенно и равномерно. Изделия обычно загружают в холодные печи (или нагретые до температуры 200°) и затем медленно нагревают до температуры отпуска со скоростью 50 – 100° в час (в зависимости от сечения изделия).

Быстрый нагрев может привести к образованию на изделии трещин. Отпуск производится в камерных и пламенных печах, а также в электрических типа ПН-32. Для обеспечения более равномерного нагрева в печах устанавливают вентиляторы с замкнутой циркуляцией воздуха. Они необходимы потому, что при относительно низких температурах (до 500 – 600°) теплопередача от спокойного воздуха к металлу происходит весьма медленно и неравномерно. Мелкие изделия (например, инструменты) отпускают в масляных и соляных ваннах, а также на горячих плитах или в песчаных банях.

В этих условиях нагрева исключаются случайные колебания температуры, что имеет большое значение при отпуске. Скорость охлаждения при отпуске углеродистой стали не имеет существенного значения, так как при охлаждении отпущенной стали структурные превращения в ней не протекают. Охлаждение при отпуске чаще всего производят на спокойном воздухе. Некоторые легированные стали охлаждают даже в воде, но это вызывается особыми обстоятельствами, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

На практике применяются три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при температурах 150 – 300°. Цель его – уменьшить внутренние напряжения в закаленном изделии, не снижая или очень мало снижая при этом его твердость. В результате низкого отпуска получают структуру отпущенного мартенсита. Низкому отпуску обычно подвергают инструменты. Температуры отпуска и получаемые значения твердости некоторых инструментов из углеродистой ехали приведены .

Средний отпуск осуществляется при температурах 300 – 450°. Применяется он для изделий, от которых требуются достаточно высокая твердость (Нr = 40 – 50) и высокий предел упругости при наличии определенной вязкости. Наиболее часто такому отпуску подвергаются пружины и рессоры. После среднего отпуска структура стали состоит из троостита.

Высокий отпуск производится при температурах 500 – 680°. После такого отпуска сталь имеет структуру сорбита. Сталь, подвергнутая закалке и последующему высокому отпуску, называется улучшенной. Такая сталь обладает высокой прочностью и вязкостью. Поэтому высокому отпуску подвергают почти все детали машин ответственного назначения.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 3484; Мы поможем в написании вашей работы!

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!

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.

Термообработкой стали называется совокупность этапов нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов. В результате в металле происходят изменения внутреннего строения и структуры, что в свою очередь приводит к получению заданных свойств стали. Твердость металла после термообработки измеряется по шкале Роквелла, подробно описанной в нашей статье “Методы определения твердости”.

 

Процесс термической обработки стали включает в себя нагрев заготовки до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течении требуемого времени и охлаждение с заданной скоростью. В рамках этих процессов, можно выделить такие этапы, как: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, обработка холодом. При изготовлении ножей из кованной стали термообработка занимает большее количество этапов: ковка, отжиг, шлифовка, повторный отжиг, правка остаточных искривлений, закалка, отпуск. В данной статье мы коснемся общих понятий процесса термообработки стали, выпущенной промышленным методом, когда заготовка клинка вырезается из уже готовой полосы металла.

1. Отжиг

Отжиг применяется для заготовок из углеродистой и легированной стали с целью снижения твердости или уменьшения внутренних напряжений. Отжиг также готовит структуру к последующей термообработке и улучшению неоднородности. Технологически отжиг представляет из себя медленное охлаждение раскаленной заготовки. Может применятся и так называемый изотермический отжиг при 760 ºС с быстрым охлаждением до 635 ºС, нахождением заготовки при этой температуре в течении 4-6 часов и дальнейшим охлаждением на воздухе.

2. Нормализация

Нормализация отличается от полного отжига способом охлаждения, которой после выдержки заготовки при температуре процесса производится на воздухе. При этом изменяется структура стали, она приобретает более высокую твердость и мелкозернистую структуру, чем при отжиге. Нормализация стали представляет собой нагрев до температур, на 50 °C выше точки завершения превращения избыточного цементита в аустенит. Нагревание ведется до полной перекристаллизации. Охлаждение производится в воздушной среде, чаще всего просто на месте термообработки. В результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Характеристики твердости и прочности стали после нормализации увеличиваются 10-15 %, чем после отжига. В так называемых заэвтектоидных инструментальных сталях, с содержанием углерода более 0,8% (именно такие стали в основном применяются в ножах), разрушается цементитная сетка, окружающая перлитные зерна. Это снижает хрупкость стали, подготавливает ее к закалке.

3. Закалка стали — это этап термообработки, который заключается в нагреве стали выше критической температуры с последующим резким охлаждением в жидких средах. Критической в данном случае будет температура, при которой произойдет изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществится полиморфное превращение. Технологически закалка представляет собой форсированное охлаждение раскаленной стали. Она уменьшает структуру зерна, повышает твердость, прочность, износоустойчивость. Закалка состоит из нагрева стали до температуры выше или в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения обычно с большой скоростью (в водных растворах солей гидроксида натрия или хлорида натрия в воде, масле, в расплавленных солях, на воздухе). В процессе закалки сталь нагревается до высокой температуры порядка 750–1150 °C с последующим резким охлаждением, чтобы произошедшие фазовые превращения не успели вернуться к исходному состоянию.

Закалка делится на несколько видов:

1) Ступенчатая закалка

В некоторых случаях, для небольших заготовок, применяют закалку ступенчатым методом. Изделия нагревают, а затем помещают в щелочной расплав (от 3500 до 4000 С). Заготовку выдерживают определённый период времени, достаточный для выравнивания температуры внутри изделия. Легированные стали охлаждают в масле, нелегированные в воде. Данный способ обеспечивает необходимую твердость, а вероятность появления трещин и напряжений будет резко сокращаться.

2) Изотермическая закалка

Изотермическая закалка проходит в режиме ступенчатой, но при этом металл выдерживается в щелочи до тех пор, пока полностью не освободится от напряжений. После изометрической закалки не требуется проводить отпуск. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.

3) Закалка в одном охладителе

Закалка в одном охладителе применяется при работе с заготовками из углеродистых и легированных сталей. Обычно это достаточно «простые» ножевые стали, не требующие сложной обрабоки.  

4) Прерывистая закалка в двух средах

Прерывистая закалка в двух средах применяется для обработки высокоуглеродистых сталей, при котором первоначально происходит быстрое охлаждение в воде, а затем медленное охлаждение в масле.

5) Струйчатая закалка

Струйчатая закалка– метод применяется при частичной (зонной) закалке изделия, реализуется в установках ТВЧ (установка нагрева токами высокой частоты) и индукторах обрызгиванием детали мощной струей воды.

Закалка является критически важным этапом термообработки. При нарушении технологии закалки могут возникнуть следующие дефекты:  

1) Недостаточная твердость закаленной детали, в следствии низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

2) Перегрев, связаный с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

3) 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. После этого сталь приобретает высокую хрупкость и становится не пригодной к использованию под большими нагрузками, в первую очередь поперечными.

4) Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Такая сталь может стать полностью непригодной к эксплуатации на клинке ножа.

5) На поверхности заготовки могут образовываться коробления и трещины, что бывает связано с возникновением внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали происходят объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений. Естественно, такие изменения приводят к полной непригодности заготовки.

Таким образом именно нарушения технологии на этапе закалки могут приводить к излишней хрупкости клинка, обычно называемой «перекалом», или же наоборот недостаточная твердость – «недокал».  А также к скрытым внутренним напряжениям, из-за которых клинки ломаются под нагрузкой. Для улучшения рабочих качеств стали после закалки применяется так называемый «отпуск». 

 4. Отпуск

Отпуском стали называется процесс термообработки предварительно закаленной стали, способствующий повышению равновесия ее структуры. Отпуск применяется после закалки стальных заготовок, при этом повышаются вязкие свойства, уменьшается хрупкость и внутреннее напряжение.

Отпуск производится немедленно после закалки, путем нагрева стали до температуры 150–550 °C (в зависимости от марки стали) и охлаждения в воздушной среде, либо в воде или масле. Высокоуглеродистые стали отпускают в воде, при этом происходит достаточно быстрое охлаждение. Если оно будет замедленным, это может привести к «недокалу», сталь не приобретет необходимых прочностных свойств.  Легированные нержавеющие стали отпускают в масле, в котором процесс охлаждения происходит медленней. К таким сталям, в частности, относятся современные порошки S30V, S35VN, Elmax, и т.п. Чаще всего отпуск таких сталей происходит при температурах от 175 до 220 градусов.  Использование масла в данном случае обязательно, так как при увеличении скорости охлаждения, легированная сталь может растрескаться и станет не пригодной к использованию. Также большую роль в охлаждении играет и разновидность масла, в частности степень его плотности и текучести. Для некоторых марок высоколегированных сталей вместо масла применяется охлаждение воздушной струей после предварительного нагрева до 1050–1100 °C.

Очень важным фактором качественного отпуска является   траектория движения и угол погружения клинка в охлаждающую среду. Нарушение технологии может привести к искривлению клинка. Важную роль здесь играет качественный отжиг, который и необходим для снятия внутренних напряжений, приводящих к искривлениям клинка.

Чаще всего для ножевых изделий используется низкотемпературный отпуск (до 2500 С). Он позволяет добиться повышения прочности и вязкости при сохранении твердости сплава (HRC остается в пределах от 58 до 63).

Для определения температуры при отпуске изделия, используется визуальное наблюдение цветов побежалости. В частности, ослепительно бело-голубой цвет заготовки, соответствует температуре порядка 1600 °С, желто-белый – 1200 °С, ярко-красный – 500 °С и т.п. Цвета побежалости одинаково проявляются и на сырой, и на закаленной стали.

5) Криообработка

Достаточно часто последним этапом термообработки клинков ножей становится криогенная обработка. Криообработка — это процесс обработки металлических заготовок при сверхнизких температурах (ниже −153°С (-243,4 °F)). Она производится в целях снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости деталей. Она также способствует увеличению твёрдости, износостойкости, прочности и пластичности металлов. В среднем улучшение этих характеристик происходит в пределах 20 %, но такие показатели относятся в основном к хорошим легированным сталям, в том числе и порошковым быстрорезам.  Среди них может быть качественная американская D2, а также ELMAX, VANADIS 10, K340. Специальное оборудование для проведения криогенной обработки называется «криогенный процессор». Он представляет собой низкотемпературную камеру, оснащенную системой управления процессом криогенной обработки.   Общий цикл обработки в современных криопроцессорах происходит в течение трех суток: 24 часа происходит промораживание до минимальной температуры, 24 часа идёт выдержка заготовки при этой температуре и 24 часа происходит нагрев до изначальной температуры. В некоторых криопроцессорах существует технологическая возможность для нагнетания температуры до 200 градусов по Цельсию и это дает возможность производить отпуск металла.

Термообработка стали на клинке является одним из важнейших факторов, отвечающих за рабочие качества ножа и его эффективность в работе. Только при максимальной точности технологических процессов возможно получить максимальное качество закаленной стали. В свою очередь качество термической обработки сильно влияет на заточку ножа. Любые проблемы, возникавшие в этом процессе, обязательно проявят себя при заточке и не позволят качественно заточить нож. Только на ножах с отличной «термичкой» мы можем достичь максимального уровня остроты.