Что такое поверхностная закалка стали? Для чего применяется поверхностная закалка?

От свойств верхних слоев металлических заготовок зависит их конструкционная прочность, устойчивость к износу, предел выносливости, срок эксплуатации. Изгибающие циклические нагрузки, интенсивное трение и механическое воздействие детали выдерживают при поверхностной закалке материала. Вязкость сердцевины обрабатываемого изделия при этом сохраняется.

Целью поверхностной закалки является повышение твердости. Содержание

Что такое поверхностная закалка

В основе технологии лежит нагрев стальной заготовки до температуры, которая превышает критическую отметку, с последующим охлаждением. Каждый из этапов термообработки выполняется быстро, поэтому воздействию подвергаются только наружные слои изделия.

Зерно аустенита за это время вырасти не успевает. Это позволяет избежать потери пластичности стального сплава, снизить порог его хладноломкости и склонность к разрушению. Результат — увеличение предела выносливости, твердости, износостойкости конструкции при сохранении пластичности ее сердцевины.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Перекристаллизация металла происходит при его нагреве с превышением критического уровня температуры на 30‑50 °С и дальнейшим охлаждением после достаточной выдержки времени. Она решает задачу по предотвращению преобразования аустенита в перлит. Особенность стальной детали после проведения закалки — неравновесная структура.

image
Перекристаллизация металла происходит после достаточной выдержки времени.

Чтобы смягчить этот эффект, снять остаточные напряжения, снизить хрупкость, металл отпускают, повторно нагревая его до температуры, которая не достигает критической отметки. Так удается добиться оптимального сочетания прочности и пластичности. Обработка помогает увеличить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение, удлинение стали при одинаковом химическом составе и твердости заготовок.

Полиморфность металлов

Явление образования нескольких разных по характеристикам простых веществ на базе одного химического элемента называют аллотропией. При этом возможно изменение структуры и свойств материала, состоящего из того же вида атомов (углеродсодержащие алмаз и графит имеют разную твердость, физическую структуру, цвет). Другое название этого явления — полиморфизм. У металлов он проявляется в основном при температурной обработке.

Происходит перестройка кристаллической решетки. Одновременно вещество приобретает новые свойства (изменяется электро- и теплопроводность, плотность, теплоемкость), переходя в новую модификацию. Аллотропия стальных сплавов применяется в промышленности для увеличения прочностных показателей.

Под действием температуры улучшаются характеристики урана, олова, железа, кобальта, бериллия, титана.

Что происходит внутри стали

Независимо от технологии поверхностной закалки металлической заготовки, в основе процесса лежит ее быстрый подогрев до более высокой температуры, чем точка фазового превращения для выбранного сплава. После этого деталь сразу остужают.

image
В основе процесса лежит подогрев металла.

В результате внутри стальной конструкции формируются такие зоны:

  1. Полная закалка. Речь идет о поверхностных слоях металла с мартенситной структурой, на которые оказывается максимальное термическое воздействие. Их толщина зависит от особенностей дальнейшей эксплуатации детали: 1,5‑3 мм для конструкций, подвергаемых усталостному износу, 10‑15 мм для изделий, которые должны выдерживать повышенные контактные нагрузки.
  2. Частичная закалка. Слои имеют феррито-мартенситную структуру. Твердость металла в этой зоне ниже, чем в поверхностной.
  3. Отсутствие термической обработки, влияющей на кристаллическую решетку материала.

В сравнении со стандартной процедурой полного закаливания заготовок при поверхностном воздействии выбирают на 100‑200 °С более высокую температуру. Выдержка времени не нужна.

Газопламенная закалка

Метод применяют при обработке крупных металлоконструкций: деталей станков, узлов электрических машин, прокатных роликов, валов, выполненных из чугуна, углеродистых, низколегированных сталей, материалов с низким содержанием углерода. Преимущества технологии — сохранение чистоты поверхности (на ней отсутствуют следы окислительных процессов) и сравнительно небольшая деформация с сохранением начальной геометрии заготовки.

Интересное:  Что такое гальваническое покрытие металла

Газопламенной закалкой могут обрабатываться все углеродистые стали.

Технология

Газоплазменная закалка выполняется в ацетилено-кислородном пламени. Во время нагрева специальной горелкой температура поверхности растет с высокой скоростью. За счет этого сердцевина детали не меняет своих свойств. Толщину поверхностной обработки регулируют изменением скорости перемещения факела и интенсивности подачи газовой смеси. Охлаждение металла производится погружением в быстроохлаждающую жидкость или обработкой под душем.

Параметры процесса

Технология предусматривает использование ацетилено-кислородного пламени температурой +2400…+3100 °С. Глубина закалки чаще всего составляет 2‑4 мм. Твердость сформированного после термической обработки слоя составляет 56 HRC.

Его структура — мартенсит. В зоне неполного нагрева начальная структура сплава преобразуется в мартенситно-троститную.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Технология широко распространена в промышленности из-за высокой производительности, возможности сохранения исходных геометрических параметров заготовки без объемных изменений металла. Нагревают его индукционно со скоростью 100‑1000 °С/с за счет возникновения в поверхностных слоях вихревых токов. Толщина обрабатываемого металла будет меньше при увеличении частоты (при этом его плотность растет).

Закалка токами высокой частоты широко распространена.

Сферы применения

Высокочастотная обработка эффективна при изготовлении деталей электрических машин, эксплуатация которых связана с интенсивным износом, частыми знакопеременными или динамическими нагрузками. Закалка ТВЧ поверхностей валов, режущих инструментов, зубчатых колес, выполненных из легированной или углеродистой стали, — оптимальное решение. Технология подходит также для конструкционных сплавов с 0,4‑0,55-процентным содержанием углерода.

Основные этапы

Работа оборудования может быть автоматизирована, когда все фазы выполняются в одной установке. В этом случае не потребуется организация отдельного цеха, транспортировка туда стальных заготовок, привлечение дополнительного обслуживающего персонала.

Независимо от особенностей организации производства выполняются такие этапы термообработки:

  1. Поверхностная закалка индуцированным током высокой частоты с выдержкой времени.
  2. Равномерное охлаждение под душем или в ванне путем погружения в подогретую до +30…+40 °С жидкость.
  3. Низкотемпературный отпуск в печи при +200 °С. Избежать образования микротрещин и добиться нормализации поверхностных слоев помогает высокая скорость перехода между технологическими этапами.

Соответствие металлоконструкции после проведения термообработки заданным при проектировании параметрам зависит от правильного выбора температурного режима.

Преимущества и недостатки

Предел выносливости стальных конструкций при закалке ТВЧ увеличивается в 2‑2,5 раза. Это происходит за счет высокой скорости термообработки и минимального влияния рабочих растягивающих напряжений, которые возникнут в ходе эксплуатации в поверхностных слоях. Вязкость сердцевины при этом достаточна, чтобы выдерживать ударные контактные нагрузки.

Интересное:  Газовая резка металлов

При поверхностной закалке повышается предел выносливости стальных конструкций.

Дополнительные аргументы в пользу индукционного нагрева ТВЧ:

  1. Высокая производительность. Технология — лучшее решение для автоматизированного, массового, крупносерийного производства.
  2. Сжатые сроки окупаемости, энергоэффективность оборудования.
  3. Возможность работы на ограниченном поле.
  4. Отсутствие эффекта обезуглероживания. Из-за скорости термообработки удается исключить диффузионные процессы, что позволяет сохранить мелкое аустенитное зерно и мартенсит с мелкопластинчатой структурой.
  5. Минимальная деформация заготовки.

Сложности в применении технологии возникают при обработке деталей сложной геометрии.

Это связано с необходимостью выдержки постоянного зазора между поверхностью и индуктором.

Конструкция современных установок

Закалка ТВЧ предусматривает использование специализированного оборудования, которое содержит высокочастотный генератор, индукторный контур и устройство, обеспечивающее равномерное перемещение заготовки.

На предприятиях применяют такие виды источников питания:

  • полупроводниковые преобразователи (160‑800 кВт, 1‑4 кГц);
  • электрические машины (50‑2500 кВт, 2,5‑10 кГц);
  • электронные ламповые устройства (10‑160 кВт, 70‑400 кГц).

Для работы с деталями малых размеров (наконечниками пружин, иглами) используют микрогенераторные установки. Они нагревают металл за 0,01‑0,001 с при 50 МГц. Исходя из геометрии изделий, выбирают конструкцию индуктора. Для колес, валов, отверстий подходит кольцевой, для поверхностей большой площади — петлевой, для заготовок сложной конфигурации — фасонный контур.

Другие методы поверхностной закалки

Широко используются на предприятиях узкоспециализированные технологии термообработки. Возможно упрочнение ограниченных участков деталей, их изготовление мелкими партиями, выпуск тестовых образцов.

Лазерная

Этот способ применяют при необходимости повышения усталостной прочности и стойкости к износу отдельных поверхностей металлоконструкций в случае, когда использование других методик технологически невозможно или затруднено. Закалка выполняется с помощью газового квантового или оптического (твердотельного) лазера.

Лазерная закалка повышает стойкость к износу.

Тепловая энергия генерируется из узкого светового пучка высокой концентрации. Скорость нагрева поверхности составляет 3‑7 секунд. Принудительное охлаждение заготовки при этом не нужно, что существенно снижает уровень сложности процесса обработки. Оборудование работает с высокой производительностью, толщина слоя увеличенной прочности составляет 0,3‑1 мм.

В электролите

В основу технологии заложен эффект нагрева катода, который происходит при пропускании постоянного тока 220‑250 В через раствор кальцинированной соды (его концентрация составляет 5‑10%), выступающий в роли электролита. В этой системе роль анода выполняет емкость, предназначенная для погружения в нее детали. Катод — само закаливаемое изделие. При использовании этой методики наружные слои приобретают мартенситную структуру, сердцевина — ферритную и сорбитообразную перлитную.

В процессе диссоциации раствора кальцинированной соды на поверхности металла образуется плотная оболочка из атомов водорода. Ее высокое электрическое сопротивление становится причиной увеличения температуры поверхности. При отключении системы от источника питания начинается охлаждение стальной заготовки без необходимости ее погружения в другую среду.

Отпуск после закалки

Основная задача проведения процедуры повторного нагрева детали — снятие внутренних напряжений и приведение характеристик материала к требуемым показателям. Устраняется неравновесность внутренней структуры сплава. Более устойчивого состояния металла достигают при условии преобразования остаточного аустенита и распада тетрагонального мартенсита. Интенсивность внутренних процессов зависит от режима отпуска.

Интересное:  Что такое холодная ковка

При повторном нагреве детали происходит снятие внутренних напряжений.

Низкий

При работе с инструментальными сталями снять внутренние напряжения, снизить хрупкость материала, увеличить твердость и стойкость к истиранию можно при низкой температуре нагрева (до +150…+250 °С). Выдержка времени составляет 1‑3 часа.

Средний

При изготовлении деталей машин, для которых важна высокая упругость (рессор, пружин) термообработку выполняют при +250…+400 °С. В результате внутренняя структура преобразуется в тростит отпуска. Изделия обладают стойкостью к динамическим нагрузкам, твердостью.

Высокий

Для обработки конструкционных сталей рекомендуют температуру повторного нагрева +450…+680 °С в течение 1 часа. За счет этого формируется кристаллическая решетка, обладающая повышенной пластичностью, твердостью и вязкостью, что обеспечивает стойкость готовых изделий к динамическим, ударным, статическим нагрузкам.

Распространенные дефекты, возникающие при термической обработке

Несоблюдение технологии поверхностной закалки приводит к появлению брака. При отсутствии внешних признаков это обнаруживается в процессе проведения испытаний (изделие не выдерживает нагрузки, теряет первоначальную форму, на нем появляются трещины).

Уровень прочности и ударной вязкости в зоне закалки может не соответствовать заданным при проектировании параметрам, если не соблюдается температурный режим или скорость охлаждения. Это приводит к увеличению хрупкости сплава с одновременным ростом зерна аустенита. Такие конструкции не выдерживают испытаний на излом и требуют повторной закалки.

Уровень прочности в зоне закалки может не соответствовать нужным параметрам.

Мягкие пятна

При неравномерном остывании заготовки, недостаточной очистке поверхности от загрязнений, нарушениях однородности структуры металла возможно образование локализованных участков малой прочности. После повторной термообработки брак устраняется.

Пережог и закалочные трещины

Превышение уровня нагрева до показателей, которые близки к температуре плавления, приводит к интенсивному образованию окислов в межзерновом пространстве. Внутренняя структура стального сплава нарушается, он теряет свои прочностные характеристики. Использовать металл в дальнейшем нельзя.

Трещины возникают при наличии концентраторов напряжения на поверхности (выступов, отверстий, углублений), при превышении сопротивления сплава отрыву уровня внутреннего напряжения растяжения. Их относят к дефектам, которые не поддаются устранению. Чтобы свести к минимуму вероятность появления трещин, рекомендуют проводить закалку при минимально возможных температурах, медленное охлаждение с отпуском.

Коробление и деформация

Причиной брака, который сопровождается изменением формы заготовки, часто становятся структурные и термические напряжения, которые возникают при неоднородном воздействии на металл. Чтобы свести к минимуму вероятность появления таких проблем, на производстве применяют прессы, штампы, позволяющие зажимать изделия на время их охлаждения.

Обезуглероживание и окисление поверхности

Отсутствие контролируемой атмосферы в пламенных или электропечах приводит к возникновению брака. Припуск на механическую обработку деталей при этом увеличивается. Минимизировать такие явления можно, если использовать соляные ванны или задействовать оборудование с искусственной рабочей средой.

Строгое соблюдение технологии поверхностной закалки, учет марки стали и особенностей будущей эксплуатации деталей обеспечивают стабильность их характеристик, длительный срок службы. У каждой из методик есть достоинства, сложности в применении, которые определяют сферу использования. Поэтому при выборе специалисты практикуют индивидуальный подход к решению производственных задач.

  • Статьи
  • Новости
  • Отзывы
  • Коллектив
  • Вакансии
  • Производители

7 способов сэкономить при покупке металла! Будьте всегда в курсе! Узнавайте о скидках и акциях первым

  • Металлопрокат, метизы
  • Кровельные материалы и системы
  • Профнастил в строительстве
  • Металлообработка, металлоконструкции
  • Трубы, арматура, сантехника
  • Строительство, монтаж, ремонт
  • Заборы, ограды, ворота
  • Кирпич, бетон, ЖБИ
  • Водоснабжение, канализация
  • Изоляция, утеплители
  • Отопление, газоснабжение
  • Стены, фасадные материалы
  • Энергоснабжение, свет
  • Фундамент
  • Беседки, лавочки
  • Печи, камины
  • Полы, напольные покрытия
  • Потолки
  • Двери, перегородки
  • Бани, сауны, бассейны
  • Кондиционеры, системы вентиляции
  • Лаки, краски, защитные покрытия
  • Лестницы, перила
  • Мебель, предметы интерьера
  • Окна, стекла, зеркала
  • Пиломатериалы, лесоматериалы
  • Плитка, камни
  • Сыпучие, вяжущие материалы, смеси
  • Строительная техника и оборудование
  • Станки, инструмент
  • Архитектура, проектирование
  • Ландшафтный дизайн, озеленение
  • Сад, огород, земледелие
  • Это интересно

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.  

По способу охлаждения различают следующие виды закалки.

Закалка в одной среде

Такая закалка проще по выполнению, но не для любой стали и не для любых изделий ее можно применять.

Быстрое охлаждение в большом интервале температур изделий переменного сечения способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, называемых термическими.

Помимо термических напряжений, при превращении аустенита в мартенсит создаются дополнительно так называемые структурные напряжения, связанные с тем, что превращение аустенита в мартенсит происходит с увеличением объема.

Если деталь сложной формы или переменного сечения, то увеличение объема проходит неравномерно и вызывает возникновение внутренних напряжений.

Наличие больших напряжений может вызвать коробление изделия, поводку, а иногда и растрескивание, если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности.

Чем больше углерода, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Сталь с содержанием углерода более 0,8% закаливают в одной среде, если изделия простой формы (шарики, ролики и т.д.). В противном случае предпочитают закалку либо в двух средах, либо по способу ступенчатой закалки.

Закалка в двух средах

Этот способ нашел широкое применение для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали.

Состоит он в следующем:

  1. деталь вначале замачивают в воде и охлаждают до температур 500—550°,

  2. затем быстро переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатая закалка

При этом способе деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой 300—250°. Выдержка при этой температуре в течение 1,5—2 мин. должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению изделия, устраняя тем самым термические внутренние напряжения. Последующее охлаждение производят на воздухе.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность растрескивания деталей.

Недостатки ступенчатой закалки

Недостаток этого вида закалки в том, что охлаждение в горячих средах не может обеспечить большую скорость охлаждения в интервале 400—600°.

В связи с этим ступенчатую закалку для углеродистой стали можно применять для изделий небольшого сечения (диаметр до 10 мм, например, сверла).

Для легированных сталей, имеющих небольшие значения критической скорости закалки, ступенчатая закалка применима к изделиям большего сечения.

Закалка с подстуживанием

При таком способе деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе. Время выдержки на воздухе должно быть таким, чтобы не произошел

распад на структуру перлита или сорбита. Это время определяется практикой закалки.

Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление и применяется для тонких и длинных деталей.

Поверхностная закалка стали

От некоторых деталей в эксплуатации требуется высокая поверхностная твердость при сохранении достаточно вязкой сердцевины, например зуб шестерни, шейка коленчатого вала и др.

В этом случае сталь сознательно закаливают на небольшую глубину. Существует несколько методов поверхностной закалки стали.

Поверхностная закалка при нагреве ацетилено-кислородным пламенем

Нагрев изделия производится ацетилено-кислородным пламенем. Пламенная горелка (рис. 67), движущаяся вдоль изделия с определенной скоростью, нагревает его поверхность.

Вслед за горелкой с той же скоростью движется трубка, подающая воду, с помощью которой производится охлаждение изделия.

Глубина прогрева и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

Поверхностная закалка токами высокой частоты

Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.

Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.

Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.

Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.

Применяемый для этой цели электрический ток получают от специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. гц (т.е. перемен направления тока в секунду). Ток городской сети имеет частоту 50 гц.

Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты и большой силы.

Индуктор наводит (индуктирует) токи в изделии, помещенном внутри него (рис. 68).

Индуктор изготовляют из полых медных трубок, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, поэтому он сам не разогревается за тот короткий промежуток времени, за который деталь успевает нагреться до необходимой температуры.

Форма индуктора должна точно повторить форму изделия, только тогда изделие закалится да одну и ту же глубину по всему сечению. Затруднения бывают при сложной форме детали, что ограничивает применение этого метода.

Охлаждение нагретой детали осуществляется чаще всего либо дополнительным дождевым устройством, либо водой, циркулирующей внутри индуктора.

В связи с тем что новый тип детали требует изготовления нового индуктора, этот метод целесообразно применять при наличии однотипных деталей в массовом или крупносерийном производстве.

§

—>

Процесс нагрева стали с целью перекристаллизации ее структуры на аустенит с последующим быстрым охлаждением называется в технике закалкой.

Температура нагрева при закалке сталиВ (температура закалки) зависит от марки стали, то есть от содержания углерода, и различна для разных сталей. Чтобы добиться большей однородности зерен аустенита, сталь при закалке либо нагревают еще на 30—50°С выше, либо выдерживают при температуре закалки более длительное время. Зерна аустенита при этом растут и становятся однородными. Но сталь с крупным зерном кристаллов хуже, чем с мелким. Поэтому при термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

Рост зерна в углеродистых сталях зависит не только от температуры и времени нагрева, но и от содержания углерода и примесей. Введение в сталь легирующих элементов — титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома (но не марганца) — тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Легирующие элементы расширяют интервал закалочных температур и облегчают получение качественной структуры; в этом и состоит преимущество легированных сталей перед углеродистыми: они лучше поддаются закалке. Большинство сталей, имеющих при комнатной температуре аустенитную структуру,— легированные стали.

Размеры зерна, получаемого при закалке стали, существенно зависят и от скорости охлаждения: чем выше скорость, тем мельче закаленное зерно, мельче кристаллы, тем лучше качество и свойства стали. Если охлаждение стали вести на воздухе, аустенит, естественно, распадается, но высокая скорость охлаждения (например, в холодильнике или при обдуве детали холодным воздухом) позволяет получить мелкие кристаллы. Хотя в этих кристаллах не аустенит, а уже знакомые нам железо и его карбиды, все же структура эта значительно лучше по свойствам: при высокой довольно-таки твердости она обладает замечательной вязкостью и износостойкостью.В В  ТакаяВ В  структура закаленной стали в честь английского ученого Генри Сорби была названа сорбитом. Образование сорбита начинается при 600 °С и заканчивается при 500°С, а сам процесс называется сорбитизацией.

Раскаленная сталь при охлаждении в масле приобретает еще более мелкозернистую структуру, обладающую высокой твердостью, прочностью и упругостью, — тростит (названа так в честь французского химика Л. Троста). Тростит образуется из аустенита в интервале температур от 500 до 200°С.

При резком охлаждении в воде аустенит обыкновенной углеродистой стали сохраняется до температуры 240°С и затем мгновенно перестраивается. Но углерод при этой перекристаллизации уже не выбрасывается из «контейнеров»: образовавшиеся мельчайшие зерна представляют собой пересыщенный твердый раствор углерода в обычной для комнатной температуры кристаллической решетке («контейнере») железа. Это не аустенит, но и не смесь железа с его карбидами. Такая новая структура твердого раствора называется мартенситом, по имени немецкого металловеда А. Мартенса. Кристаллики мартенсита по виду даже не зернистые, а игольчатые. Мартенсит имеет наивысшую из всех структур твердость, близкую к твердости карбида железа, высокую упругость и хрупкость.

В 

В легированных сталях мартенситная структура образуется при меньшей скорости охлаждения, чем в углеродистых, поэтому закалку таких сталей на мартенсит можно проводить не в воде, а в масле или даже на воздухе.

Детали, нагретые под закалку, выдерживают в печи при данной температуре от 3 до 20 мин. (в зависимости от размеров их) и опускают в охлажденную среду. Температуры закалки и отжига для углеродистых сталей почти совпадают, поэтому по графику на рис. 42 определить эти температуры для каждого вида стали нетрудно: достаточно знать процентное содержание углерода в стали.

Рис. 42. Графики закалки и отжига углеродистых сталей

Большую скорость охлаждения стали для закалки ее под мартенсит можно получить, опуская детали в воду с температурой ниже +18°С или в 10-процентный раствор поваренной соли (едкого натра). На мартенсит закаливают режущий инструмент, детали, испытывающие в работе трение (оси, зубчатые колеса и т. п.), часть пружин.

Закалка стали в воде с температурой около +65°С или в масле позволяет получить более крупную структуру — тростит. В то же время тростит в стали можно получить, отпуская деталь с мартен-ситной структурой. На тростит закаливают ударный инструмент, которому нужна высокая твердость в сочетании с упругостью, а также рессоры и пружины.

Охлаждая разогретую для закалки деталь в горячей (90°С) или мыльной воде или же отпуская деталь с мартенситной структурой, получают в стали сорбитную структуру. Ей присуща наибольшая вязкость и износостойкость, поэтому на сорбит закаливают рельсы, бандажи и прочий инструмент, работающий при самых тяжелых ударных нагрузках.

Процесс закалки стали. Закаливаемые детали опускают в охлаждающую среду и непрерывно двигают детали в ней. Если деталь остается неподвижной, на ней образуется паровая «рубашка» и в отдельных местах детальВ  останетсяВ  непрокаленной.

В 

Детали опускают в охлаждающую среду определенным образом (рис. 43): сверла, развертки и другие длинные детали — режущей частью вперед, то есть вертикально; плоские детали — перпендикулярно поверхности жидкости. Если закалке подлежит только часть инструмента (например, режущая часть сверла), то деталь опускают в охлаждающую жидкость на нужную глубину и слегка перемещают ее вверх-вниз в жидкости, «размывая» границу закалки.

Рис. 43. Правильное погружение деталей в закалочную жидкость

При закалке (да и при других видах термообработки) очень важно не перегреть металл — это может его безвозвратно испортить,— то есть нужно точно определять температуру разогрева детали. ВВ  домашнихВ  условиях,В  еслиВ  не удалось найти специального термометра, можно с достаточной степенью точности научиться определять температуру разогретой детали по ее цвету.

Цвета каления стальных деталей в порядке их появления расположены следующим образом (температура дана в °С):

  • коричнево-красный…..В 580—650:
  • темно-красный (вишневый)……..650—720;
  • вишнево-красный (багровый)…..720—770;
  • вишнево-алый………770—800;
  • светло-вишнево-алый……800—830;
  • ярко-красный…….В ……830—870;
  • красный……….870—900;
  • светло-красныйВ В  (оранжевый)….900—1050;
  • темно-желтый………1050—1150;
  • желтый (светлый) …. 1150—1230;
  • желто-белый……….1230—1300;
  • ослепительно белый………….1300 и выше.

Мелкие детали греть под заВ­калку лучше в муфельных печах. При разогреве их на газовой гоВ­релке или в горне детали нельзя вводить в пламя, это обязательно приведет к перекаливанию и порче деталей. Надо уложить «мелочь» на стальную болванку и разогреВ­вать вместе с нею, определяя темВ­пературу по цветам каления болВ­ванки. В закалочную жидкость детали следует опускать также вместе с болванкой.

Муфельную печь небольших размеров можно изготовить и в домашних условияхВ  (рис.В  44,А).

Основу такой печи составит кераВ­мическая труба 1 от старого школьного реостата (можно куВ­пить реостат в магазинах). На трубу наматываем с небольшим шагом распущенную спираль 2 от бытовой электроплитВ­ки мощностью 800 Вт. На спираль сверху накладываем лист асбеста (вкруговую) и на асбест наматыВ­ваем вторую спираль 3. Обе спиВ­рали при этом не должны нигде соприкасаться друг с другом. ПоВ­верх второй спирали укладываем по трубе еще 5—6 слоев асбеста 4.

С одного из торцов трубы 1 ставим керамическую заглушку 5 с отверстием для термопары. ВтоВ­рая заглушка 6 на другом торце будет служить крышкой печи. Обе заглушки «утепляем» четырьмя-пятью слоями асбеста. Если под рукой не окажется подходящей керамики, заглушки придется изВ­готовить из какого-либо формовочВ­ного материала для высоких темВ­ператур, описанного выше.

В изготовленный из жести коВ­жух 7 (для швов пригоден одиВ­нарный замок) укладываем полуВ­чившуюся конструкцию. Крышка-заглушка 6 тоже должна иметь кожух и свободно удаляться при откидывании запирающего крючВ­ка 8. Ножки в печке делаем из стальной полосы; эти ножки 9 — съемные. Электрическая схема соеВ­динения должна предусматривать включение одной спирали или сразуВ В  двухВ В  вместеВ В  (рис.44, Б).

При включении спирали 1 темпеВ­ратура в печи будет подходящей для отпуска стальных деталей и отжига деталей из цветных металВ­лов. При включении обеих спираВ­лей (1 и 2) в печи можно закалять и отжигать стальные детали.

Температуру в печи будем изВ­мерятьВ В  термоэлектрическимВ термометром. Его система состоит из термопары и измерительного приВ­бора (рис. 44, В) — Термопара предВ­ставляет собою два провода, один из которых сделан из сплава хроВ­мель, другой — из сплава алю-мель. Провода скручиваем с одВ­ного конца, а два других конца подсоединяем вместе к одному из зажимов трансформатора напряВ­жением 4—8 В (это может быть лабораторный автотрансформатор ЛАТР или трансформатор мощноВ­стью 80—100 Вт). Со второго заВ­жима напряжение подаем на угольный стержень от карманной батарейки (рис. 44, Г). СкрученныВ­ми проводами термопары касаемВ­ся угольного стержня, в результаВ­те чего провода в месте крутки свариваются. На месте сварки обВ­разуетсяВ В  металлическийВ В  шарик.

Оба провода термопары помеВ­щаем в фарфоровую трубочку с двумя сквозными отверстиями или изолируем друг от друга еще как-нибудь, затем подключаем их к измерительному прибору. ТермопаВ­ру в фарфоровой трубочке через специальное отверстие в заглушВ­ке 5 вводим в печь.

Заменяем измерительную шкаВ­лу прибора на новую (прибором в нашей термоэлектрической сиВ­стеме может служить милливольтВ­метр с крупной шкалой, имеющей максимум измерения 50 мкВ). ГраВ­дуируем новую шкалу в градусах Цельсия. Для этого помещаем в печь гипсовую пластинку с укВ­репленными на ней проволочками или полосками из свинца, цинка, алюминия, меди. Включаем печь на разогрев и следим за стрелкой подключенного к термопаре приВ­бора.

В 

Как только начнет плавиться свинец, делаем на шкале прибора первую засечку; она соответствует 327°С. Расплавление цинка дает вторую засечку —419°С, алюмиВ­ния -660°С и меди — 1083°С. (Цинк следует брать от стаканчиВ­ков сухих элементов, иначе назыВ­ваемых батарейками для карманВ­ного фонаря, медь и алюминий — в жилах проводов или кабелей, а свинец — из оболочки кабеля.) На шкале получается пять засеВ­чек: одна — в начале шкалы и четыре других — от точек плавлеВ­ния. Разбиваем равномерно шкалу на пропорциональные деления, учитывая все полученные засечки. Удобно иметь «цену» малого делеВ­ния, равную 10°С, а крупных делений — 50 и 100°С соответстВ­венно.

Хромель-алюмелевая термопаВ­ра позволяет градуировать прибор равномерно, а измерение темпераВ­туры с ее помощью осуществимо в пределах от комнатной до 1300°С.

Рис. 44. А — общий вид и разрез; Б — электрическая схема; В — термоэлектрический термометр; Г — сварка термопары; 1 — керамическая труба; 2 — первая спираль; 3 — вторая спираль; 4 — асбест;В В В  5 — заглушка;В В В  6 — заглушка-крышка;В В В  7 — кожух;В В В  8 — крючок;В В В  9 — ножки.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий