Закалка стали

Закалка стали — это один из ключевых видов термической обработки металла. В производстве эта операция встречается при изготовлении:

— инструментов;

— шестерён;

— крепежа;

— ответственных деталей машин.
По сути, термическая обработка металлов (закалка) — это управляемое изменение его внутренней структуры путём нагрева с последующим охлаждением. В результате сталь становится твёрже, лучше сопротивляется износу, циклическим нагрузкам. Но при этом металл становится менее «живучим» под ударами, он хуже гасит резкие нагрузки и может треснуть.

Суть процесса и назначение закалки стали

Если совсем упростить, процесс состоит из трёх базовых шагов:

1. Металлопрокат нагревают до заданной температуры.
2. Выдерживают при этом нагреве нужное время.
3. Быстро охлаждают в выбранной среде — воде, масле, соли, полимерных растворах, газе.

Что происходит с металлом при закалке.

При закалке стали структура металла перестраивается:

• феррит и перлит переходят в аустенит;
• карбиды частично растворяются;
• выравнивается химический, структурный состав по сечению.

Затем, при резком охлаждении, аустенит не успевает «спокойно» превратиться обратно в феррит с перлитом. Вместо этого образует закалочную структуру — в первую очередь мартенсит. Именно эта структура даёт такой рост твёрдости, прочности.

Для чего нужна закалка металла?

Основные задачи:

• повысить твёрдость поверхностного слоя или всего сечения детали;
• увеличить износостойкость поверхностей;
• улучшить усталостную прочность;
• стабилизировать размеры, форму изделия.

Проще говоря, закалка металла нужна для того, чтобы деталь не выходила из строя преждевременно. Хороший пример:

— зубчатые колёса;

— валы;

— штампы;

— режущий инструмент;

— оси, пальцы, штифты. 

Без термической обработки металлов (закалка + последующий отпуск) они быстро бы разрушались даже при относительно умеренных нагрузках.

Почему нельзя обойтись без закалки:

• чистая конструкционная сталь без обработки зачастую имеет недостаточную твёрдость. Деталь легко царапается, быстро изнашивается;
• повышение прочности только за счёт легирования делает металл дорогим;
• термическая закалка стали позволяет «настраивать» свойства одной и той же марки под разные задачи.

Поэтому в современной промышленности термическая обработка металлов (закалка) — это обязательный этап технологического маршрута.

Температура нагрева при закалке стали

Температура — один из ключевых параметров. От неё зависит, какую структуру металл получит после охлаждения.

От чего именно зависит температура закалки стали?

Единых значений не существует. Каждая сталь имеет свой интервал нагрева. Он определяется:

• содержанием углерода;
• количеством, типом легирующих элементов;
• назначением сплава;
• требуемой глубиной закалённого слоя.

В высокоуглеродистых, легированных сталях температура закалки выше, чем в обычных конструкционных. Связано это с тем, что такие стали медленнее нагреваются.

Основные температурные диапазоны.

Чтобы сформировать аустенит (структуру, из которой затем образуется мартенсит), сталь нагревают выше критических точек Ac1 и Ac3. Эти температуры определяют начало и завершение структурных изменений.

Примерные значения:

• низкоуглеродистые стали: 750–800 °C;
• среднеуглеродистые: 800–850 °C;
• высокоуглеродистые: 780–830 °C;
• легированные: 850–1100 °C, в зависимости от состава.

Для термической закалки металла важно прогреть весь объём равномерно. Недостаточный прогрев приведёт к «недозакалке», снижению твёрдости. А перегрев — к росту зерна, хрупкости.

Почему так важен контроль температуры?

Если температура закалки стали выше оптимальной:

— зерно начинает расти;

— структура становится менее однородной;

— падает ударная вязкость, повышается риск хрупкого разрушения.

Если температура ниже нормы:

— не весь перлит превращается в аустенит;

— после охлаждения часть структуры остаётся мягкой;

— металл не набирает требуемой твёрдости. Закалка фактически не выполняет свою задачу.
Поэтому при обработке металлов (закалка, отпуск, нормализация) применяют современные печи с равномерным распределением температуры.

Методы охлаждения при закалке

После нагрева и выдержки наступает этап охлаждения. Он формирует финальные свойства сплава. 

В термической обработке применяют несколько сред. Каждая из них даёт свою скорость охлаждения, подходит под определённые марки, задачи.

1. Охлаждение в воде.

Вода обеспечивает очень высокую скорость теплоотвода. Это классический и самый «жёсткий» вариант закалки.

Плюсы:

— максимальная скорость охлаждения;

— высокая твёрдость получаемого металла;

— подходит для низко- и среднеуглеродистых сталей.

Минусы:

— риск образования трещин, коробления;

— возможное образование паровой оболочки, ухудшающей равномерность процесса.

Воду используют там, где критична максимальная твёрдость, а риск деформаций допустим.

2. Охлаждение в масле.

Масло — более щадящая среда. Температурный удар на металл ниже. Охлаждение идёт равномернее. Это один из распространённых методов термической закалки стали, особенно легированной, инструментальной.

Преимущества:

• меньше деформаций;
• меньшая вероятность растрескивания;
• более предсказуемый результат по структуре.

1. Полимерные, солевые растворы.

Полимерные составы позволяют регулировать скорость охлаждения, изменяют концентрацию. Они занимают промежуточное место между водой и маслом.

Солевые растворы дают стабильно высокую скорость охлаждения. Их используют для:

— крупногабаритных деталей;

— сложных профилей;

— легированных сталей, где важна контролируемая интенсивность охлаждения.

2. Газовая закалка.

В вакуумных и печных установках применяется охлаждение газом (азот, гелий). Скорость ниже, чем у жидких сред. Но зато обеспечивается идеальная однородность.

Преимущества:

• минимальные деформации;
• отсутствие контакта поверхности с жидкостью = идеальная чистота изделий;
• повторяемость результатов.

Используют для ответственных деталей, инструментов, штампов, прецизионных компонентов.

3. Ступенчатая, изотермическая закалка.

В отдельных случаях металл охлаждают до комнатной температуры не сразу. Это снижает внутренние напряжения, уменьшает риск деформаций. Подходит для легированных сталей, деталей сложной формы.

Микроструктура закалённой стали

Перед тем как охладить металл, его нагревают до температур, при которых феррит и перлит переходят в аустенит. Эта структура существует только при высоком нагреве. В ней атомы углерода распределяются более равномерно. При этом сама решётка становится более «пластичной» к будущим изменениям. Именно из аустенита затем рождаются новые структуры, в том числе мартенсит.

После резкого охлаждения аустенит практически мгновенно превращается в мартенсит — основу большинства закалённых сталей. У мартенсита своя особенность. Его решётка сильно искажена, словно растянута внутри. Поэтому металл становится очень твёрдым, прочным. Однако такое состояние сопровождается значительными внутренними напряжениями. Это делает структуру более хрупкой. По этой причине закалку почти всегда дополняют отпуском, чтобы снять излишнюю напряжённость, стабилизировать свойства.

Иногда процесс охлаждения идёт не полностью по мартенситному пути. В стали может остаться часть аустенита, который не успел перестроиться. Его присутствие вполне допустимо. В небольшом количестве он помогает детали сохранять размеры, предотвращает деформации при работе.

Если охлаждение было более мягким, структура может частично превратиться в бейнит. Такой металл сочетает хорошую твёрдость с более выраженной вязкостью. Он лучше переносит ударные нагрузки. В промежуточных режимах, между прямой закалкой и высоким отпуском, могут формироваться троостит или сорбит. Это более равновесные структуры. Они обеспечивают баланс между жёсткостью, пластичностью.

От того, какие структуры доминируют в металле после закалки, зависит итоговый набор свойств:

• мартенсит даёт максимальную твёрдость;
• бейнит — лучшую ударную стойкость;
• остаточный аустенит — стабильность размеров. 

Под каждую деталь подбирают свой режим нагрева, охлаждения. Одна задача требует жёсткого режущего края. Другая — стойкости к динамическим нагрузкам. Третья — минимальной деформации в ходе работы.

Курс валют и транспортировка

Любое отклонение способно изменить структуру стали, а значит, и свойства готовой детали. В результате изделие может искривиться или потерять размеры. По этой причине печи для закалки оснащают системами распределения температуры. А крупные детали дольше держат в печи, чтобы металл успел прогреться равномерно.

Не менее важна скорость переноса детали из печи в закалочную среду. Для сложных или тяжёлых изделий используют механические манипуляторы. Это нужно, чтобы исключить разницу между технологическими циклами.

Сама среда охлаждения тоже предъявляет свои требования. Масло должно иметь стабильную вязкость, температуру. В противном случае скорость охлаждения будет прыгать от партии к партии. Вода требует постоянного контроля чистоты. Примеси влияют на образование паровой плёнки. Полимерные растворы перед каждой закалкой проверяют на концентрацию. Она определяет интенсивность охлаждения.

Дополнительные сложности возникают при работе с легированными сталями. В них элементы вроде хрома, ванадия или молибдена замедляют фазовые превращения. Металл охлаждается иначе, чем обычная углеродистая сталь. При неправильном подборе режима может разрушиться уже в процессе обработки. Для таких сплавов применяют более современные печи. Иногда — вакуумные установки. В них атмосфера полностью контролируется.

Есть и тепловые напряжения, которые неизбежно появляются из-за резкого перепада температур. Внутри детали они распределяются неравномерно. Если напряжения превышают предел прочности, металл трескается. Чтобы избежать этого, используют:

— ступенчатые режимы;

— предварительный подогрев;

— мягкие среды охлаждения или специальные фиксаторы (они удерживают геометрию изделия).
Заключительным этапом почти всегда становится отпуск — короткий нагрев до умеренных температур. Он снижает внутренние напряжения, «успокаивает» мартенсит, делая его менее хрупким. Без отпуска термическая закалка металла считается неполной.

Виды закалки и их применение

В промышленности используют несколько режимов закалки. Каждый из них решает свои задачи. Разные типы сталей, разные требования к твёрдости, разная глубина упрочнённого слоя. Всё это определяет, какой способ выбирают технологи.

1. Полная закалка.

Классический вариант.  Всю деталь нагревают выше критических температур, выдерживают, затем охлаждают с высокой скоростью. Металл приобретает максимальную твёрдость по всему сечению. 

Такой подход подходит для:

— инструментальных сталей;

— режущего инструмента;

— штампов, шестерён;

— других деталей, работающих под постоянными нагрузками, высоким износом.

2. Неполная закалка.

Здесь металл нагревают лишь до промежуточных температур. Структура получается более мягкой, пластичной. Метод используют, чтобы повысить прочность, но сохранить достаточную вязкость.

3. Поверхностная закалка.

В этом случае упрочняют только верхний слой металла. Его нагревают локально:

— индукционными катушками;

— газовыми горелками;

— лазерными источниками тепла. 

После охлаждения образуется твёрдая, износостойкая поверхность. Такой тип применяют для:

— валов;

— зубчатых колёс;

— кулачков, осей;

— направляющих.

4. Индукционная закалка.

Разновидность поверхностной закалки, при которой металл нагревается высокочастотным током. Преимущество метода в точности зоны нагрева. Можно упрочнить только рабочий участок детали. Это используется в автомобилестроении, машиностроении, ремонте оборудования.

5. Ступенчатая, изотермическая закалка.

Применяют, когда важно снизить внутренние напряжения, избежать деформаций. Структура формируется более равномерно. Изделие сохраняет точность геометрии. Такой метод подходит для деталей сложной формы или крупных габаритов.

Различия в применении:

• когда нужна максимальная твёрдость, износостойкость — выбирают полную закалку;
• если важна устойчивость к ударам и деформациям — предпочтение неполной закалке или ступенчатым режимам;
• когда деталь работает на износ, но должна оставаться прочной внутри — используют поверхностные методы;
• при серийном производстве с жёсткими требованиями к геометрии, повторяемости — индукционные, изотермические способы.

Как выбрать режим закалки для разных марок стали

Удобнее всего рассматривать этот процесс как короткий чек-лист.

1. Определить содержание углерода.

От него зависит температура нагрева, способность стали к закалке:

до 0,3 % — требуется более быстрое охлаждение;

0,3–0,6 % — оптимальный диапазон для большинства режимов;

свыше 0,6 % — высокая склонность к перегреву и росту зерна.

2. Учесть легирующие элементы.

Хром, молибден, ванадий, никель замедляют фазовые превращения, повышают прокаливаемость. 

Такие стали требуют:

— более высоких температур нагрева;

— более мягких, контролируемых сред охлаждения (масло, полимеры).

3. Уточнить требуемые свойства детали.

Для максимальной твёрдости — полная закалка.

Для сочетания прочности, вязкости — ступенчатые или изотермические режимы.

Для высокой износостойкости при ударных нагрузках — поверхностная закалка.

4. Оценить габариты и форму изделия.

Массивные или сложные детали охлаждают мягче, чтобы избежать трещин, коробления. Мелкие части можно охлаждать быстрее.

5. Определить допустимый уровень деформаций.

Если геометрия критична, используют индукционную или вакуумную закалку, а также ступенчатые режимы.

6. Проверить рекомендуемые таблицы для конкретной марки.

Каждая сталь имеет свои диапазоны температур Ac1 и Ac3. Работа вне этих диапазонов приводит к недокалке или перегреву.

7. Закладывать обязательный отпуск.

Независимо от марки стали после закалки выполняют отпуск. Он стабилизирует структуру и снимает внутренние напряжения.

Закалка в промышленности: где используется

Почти каждая отрасль, где используется сталь, опирается на термическую обработку.

Основные направления	Детали	Комментарии
Машиностроение	валы, шестерни, подшипники, оси, кулачки	повышение износостойкости, ресурса работы
Автомобильная отрасль	детали подвески, трансмиссии, элементы двигателя, крепёж	устойчивость к вибрациям, нагрузкам
Металлообработка, инструмент	резцы, фрезы, штампы, пресс-формы	твёрдость, стабильность режущей кромки
Нефтегаз, энергетика	насосные узлы, арматура, буровой инструмент	работа в высоких давлениях, агрессивных средах
Строительство, инженерные системы	крепёж, анкеры, механизмы подъёмной техники	повышение прочности, усталостной стойкости
Железнодорожная, авиационная отрасли	элементы ходовых частей, узлы механизмов	надёжность при динамических нагрузках

Компания «МТК «МАЗПРОМ» поможет подобрать материал под ваше техническое задание. Мы обеспечиваем:

• поставки стали и цветных металлов;
• выполняем резку в размер;
• комплектуем заказы;
• организуем бережную доставку по Москве и регионам.

Свяжитесь с нами: 

• по телефону +7 (495) 772-01-41;
• по электронной почте info@mazprom.ru;
• оставьте заявку на сайте www.mazprom.ru

Мы подберём оптимальное решение под вашу задачу.