Основы закаливания: Все, что нужно знать

Что такое закаливание?

Закалка - это процесс термической обработки. В случае стали закалка включает в себя нагрев до температуры выше критической температуры Ac3 (для гипоэвтектоидной стали) или Ac1 (для гиперэвтектоидной стали), выдержку в течение определенного периода времени для полной или частичной аустенизации, а затем быстрое охлаждение ниже Ms (или около Ms для изотермической) со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, что позволяет превратиться в мартенсит (или бейнит).

Закалка также используется для обозначения процессов термообработки, включающих обработку раствором или быстрое охлаждение таких материалов, как алюминиевые сплавыМедные сплавы, титановые сплавы и закаленное стекло.

Методы закалки в процессе термообработки

Закалка - это метод термической обработки, при котором сталь нагревается выше критической температуры, выдерживается в течение определенного времени, а затем охлаждается со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, для получения преимущественно мартенситной неравновесной структуры (хотя при необходимости может быть получен бейнит или однофазный аустенит).

Закалка является наиболее широко применяемым методом в процессах термической обработки стали.

Существует четыре основных процесса термической обработки стали: отжигнормализация, закалка и отпуск.

Отжиг

Для этого необходимо нагреть заготовку до соответствующей температуры, выдержать ее в течение времени, зависящего от материала и размера заготовки, а затем медленно охладить (самая медленная скорость охлаждения). Цель - привести внутреннюю структуру металла к равновесию или близкому к нему, добиться хороших технологических и эксплуатационных характеристик или подготовить структуру к дальнейшей закалке.

Нормализация

После нагрева заготовки до нужной температуры она охлаждается на воздухе. Эффект нормализации похож на отжигНо при этом получается более тонкая структура. Она обычно используется для улучшения характеристик резания материалов, а иногда применяется в качестве окончательной термообработки для деталей с менее жесткими требованиями.

Отпуск

Чтобы уменьшить хрупкость стальных изделий, закаленные детали выдерживают при температуре выше комнатной, но ниже 710℃ в течение длительного периода времени перед охлаждением. Этот процесс называется закалкой.

Закаливание

Это процесс термической обработки, который включает в себя нагрев заготовки для ее аустенизации, а затем охлаждение соответствующим образом для получения мартенситной или бейнитной структуры. К распространенным методам относится закалка в воде, закалка маслом, и закаливание на воздухе.

Отжиг, нормализация, закалка и отпуск - это "четыре огня" в интегральной термической обработке. Закалка и отпуск тесно связаны, часто используются вместе, и оба незаменимы.

Существует десять методов закалки в процессе термообработки, к которым относятся:

• Односредняя закалка (с использованием воды, масла или воздуха);
• Прерванное закаливание;
• Мартемперирование;
• Мартемперирование под Мисс Пойнт;
• Изотермическая закалка бейнита;
• Составное тушение;
• Изотермическая закалка с предварительным охлаждением;
• Замедленное охлаждение закалки;
• Закаливание самозакаливания;
• Закалка струи.

1. Закалка в одной среде (вода, масло, воздух)

При этом заготовка нагревается до температуры закалки, а затем быстро охлаждается путем погружения в закалочную среду. Это самый простой метод закалки, который обычно используется для простой фасонной углеродистой стали и легированная сталь заготовки. Выбор закалочной среды основывается на таких факторах, как коэффициент теплопередачи, закаливаемость, размер и форма деталей.

Рис. 1 Закалка в одной среде (вода, масло, воздух)

2. Прерванное тушение

В процессе термообработки заготовка, нагретая до температуры закалки, быстро охлаждается до точки, близкой к началу мартенсита (MS), в сильной охлаждающей среде. Затем заготовка медленно охлаждается до комнатной температуры в более медленной охлаждающей среде, что создает диапазон различных температур закалки и идеальных скоростей охлаждения.

Этот метод используется для заготовок с сложные формы или крупных заготовок из высокоуглеродистой стали, легированной стали и углеродистой инструментальной стали. К распространенным средам охлаждения относятся вода-масло, вода-нитрат, вода-воздух и масло-воздух. Вода обычно используется в качестве быстродействующей охлаждающей среды, а масло или воздух - в качестве более медленной. Воздух используется реже.

3. Мартемперинг

Сталь аустенизируется, а затем погружается в жидкую среду (соляную или щелочную ванну) с температурой немного выше или ниже верхней мартенситной точки стали на определенное время. Затем сталь вынимают для охлаждения на воздухе, а недоохлажденная аустенит медленно превращается в мартенсит.

Этот метод обычно используется для небольших заготовок сложной формы с жесткими требованиями к деформации. Инструменты и штампы из быстрорежущей и высоколегированной стали также обычно закаливают этим методом.

4. Метод градуированной мартенситной закалки ниже точки Ms

Заготовка быстро охлаждается в ванне, когда температура ванны ниже точки начала мартенсита (MS) и выше точки окончания мартенсита (MF). Это приводит к тому же результату, что и использование ванны большего размера.

Этот метод обычно используется для заготовок из стали с низкой прокаливаемостью большого размера.

5. Изотермическая закалка бейнита

Заготовка закаливается в ванну с более низкой температурой бейнита для изотермической обработки, вызывающей образование более низкого бейнита. Этот процесс обычно выполняется путем выдерживания заготовки в ванне в течение 30-60 минут.

Изотермическая закалка бейнита состоит из трех этапов:

• Аустенизирующая обработка
• Охлаждающая обработка после аустенизации
• Аустемперирование бейнита

Этот метод обычно используется для изготовления небольших деталей из легированной и высокоуглеродистой стали, а также ковких чугунное литьё.

6. Тушение соединений

Мартенсит с объемной долей от 10% до 30% получают путем закалки заготовки ниже точки MS с последующей изотермической обработкой в области нижнего бейнита.

Этот метод обычно используется для заготовок из легированной инструментальной стали.

7. Изотермическое закаливание с предварительным охлаждением

Этот метод закалки также называют ступенчатой аустемперизацией. Процесс предусматривает сначала охлаждение деталей в ванне с более низкой температурой (выше MS), а затем перенос их в ванну с более высокой температурой для изотермического превращения аустенит.

Этот метод подходит для стальных деталей с низкой прокаливаемостью или большими размерами, а также для заготовок, которые должны быть подвергнуты аустемперированию.

8. Закалка с охлаждением

При изотермической закалке с предварительным охлаждением детали предварительно охлаждаются до температуры чуть выше Ar3 или Ar1 с помощью воздуха, горячей воды или соляной ванны. Затем выполняется закалка в одной среде.

Этот метод часто используется для деталей сложной формы, со значительной разницей в толщине и минимальными требованиями к деформации.

9. Закалка самоотпуска

Процесс закалки и самозакаливания предполагает нагрев всех заготовок, но во время закалки в закалочную жидкость для охлаждения погружаются только закаливаемые детали (обычно рабочие).

Как только свечение не погруженных в воду деталей исчезает, процесс закалки немедленно снимается для воздушного охлаждения.

Этот метод позволяет передавать тепло от центра к поверхности для ее закалки и обычно используется для инструментов, которые должны выдерживать удары, таких как зубила, перфораторы, молотки и т.д.

10. Гашение струи

Метод закалки, при котором вода распыляется на заготовку, можно регулировать по расходу воды в зависимости от желаемой глубины закалки. Струйная закалка позволяет избежать образования паровой пленки на поверхности заготовки, что приводит к образованию более глубокого закаленного слоя по сравнению с обычной закалкой. закаливание водой.

Этот метод в основном используется для локализованного поверхностного закаливания.

Цель закаливания

Цель закалки - вызвать превращение переохлажденного аустенита в мартенсит или бейнит, в результате чего образуется мартенситная или бейнитная структура. Последующий отпуск при различных температурах позволяет значительно повысить жесткость, твердость, износостойкость, усталостная прочностьи вязкость стали, удовлетворяя разнообразным требованиям, предъявляемым к различным механическим деталям и инструментам. Закалка также может удовлетворить особые физические и химические свойства, такие как ферромагнетизм и коррозионная стойкость некоторых специальных сталей.

Закалка - это процесс термической обработки металла, при котором металлическая заготовка нагревается до соответствующей температуры, выдерживается в течение определенного времени, а затем быстро охлаждается путем погружения в закалочную среду. В качестве закалочной среды обычно используются рассол, вода, минеральное масло и воздух. Закалка позволяет повысить твердость и износостойкость металлических заготовок и широко используется в различных инструментах, пресс-формах, измерительные инструменты, и износостойкие детали (такие как шестерни, валки, науглероженные детали и т.д.).

Благодаря закалке и последующему отпуску при различных температурах можно значительно повысить прочность металла, а также уменьшить его вязкость и усталостную прочность. Этот процесс позволяет достичь баланса этих свойств (комплексных механических характеристик) для удовлетворения различных требований к использованию.

Кроме того, закалка может придать стали определенные физические и химические свойства, например, усилить ферромагнетизм стали с постоянными магнитами, повысить коррозионную стойкость нержавеющей стали и т.д. Процесс закалки в основном используется для обработки стальных заготовок.

Когда обычная сталь нагревается выше критической температуры, структура, существовавшая при комнатной температуре, полностью или в значительной степени превращается в аустенит. Затем сталь быстро охлаждают, погружая ее в воду или масло, в результате чего аустенит превращается в мартенсит. Мартенсит обладает самой высокой твердостью по сравнению с другими структурами стали. Быстрое охлаждение при закалке вызывает внутреннее напряжение в заготовке, которая при достаточно больших размерах может привести к деформации, скручиванию или даже трещинам. Поэтому необходимо выбрать подходящий метод охлаждения.

Исходя из метода охлаждения, процессы закалки можно разделить на четыре категории: закалка в одной жидкости, закалка в двух средах, закалка с градацией мартенсита и изотермическая закалка бейнита.

Процесс закаливания

Процесс закалки включает три стадии: нагрев, выдержку и охлаждение. Здесь на примере закалки стали представлены принципы выбора параметров процесса для этих трех стадий.

Температура нагрева при закалке

Исходя из критической точки фазового превращения в стали, нагрев во время закалки направлен на формирование мелких и однородных аустенитных зерен с получением тонкой мартенситной структуры после закалки.

Диапазон температур нагрева при закалке для углеродистой стали показан на рисунке "Температура нагрева при закалке". Принцип выбора температуры закалки, показанный на этом рисунке, также применим к большинству легированных сталей, особенно низколегированных. Температура нагрева для гипоэвтектоидной стали на 30-50℃ выше температуры Ac3.

Из рисунка "Температура нагрева при закалке" видно, что состояние стали при высокой температуре находится в области однофазного аустенита (A), поэтому ее называют полной закалкой. Если температура нагрева гипоэвтектоидной стали выше, чем температура Ac1, и ниже, чем температура Ac3, то ранее существовавшие проэвтектоидный феррит не полностью превращается в аустенит при высокой температуре, что является неполной (или подкритической) закалкой. Температура закалки гиперэвтектоидной стали на 30-50℃ выше температуры Ac1, этот температурный диапазон находится в области двухфазного аустенита и цементита (A+C).

Поэтому обычная закалка гиперэвтектоидной стали все еще относится к неполной закалке, а структура, полученная после закалки, представляет собой мартенсит, распределенный по цементитной матрице. Эта структура обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для гиперэвтектоидной стали, если температура нагрева слишком высока, слишком большая часть проэвтектоидного цементита растворяется, даже полностью растворяется, затем зерна аустенита растут, и содержание углерода аустенита также увеличивается.

После закалки большая мартенситная структура увеличивает внутреннее напряжение в микрообластях закаленной стали, увеличивает количество микротрещин и повышает склонность детали к деформации и растрескиванию. Поскольку концентрация углерода в аустените высока, мартенситная точка падает, количество сохранившегося аустенита увеличивается, а твердость и износостойкость детали снижаются. Температура закалки широко используемых сталей показана на рисунке "Температура нагрева при закалке", а в таблице приведена температура нагрева при закалке широко используемых сталей.

В реальном производстве выбор температуры нагрева необходимо корректировать в зависимости от конкретных условий. Например, когда содержание углерода в гипоэвтектоидной стали находится на нижнем пределе, когда загрузка печи велика и когда необходимо увеличить глубину закалочного слоя детали, можно выбрать верхний предел температуры; если форма заготовки сложная, а требования к деформации жесткие, следует выбрать нижний предел температуры.

Закалка

Время выдержки при закалке определяется различными факторами, такими как режим нагрева оборудования, размер детали, состав стали, количество шихты в печи и мощность оборудования. При сквозной закалке цель выдержки заключается в равномерном сближении внутренней температуры заготовки.

Для всех видов закалки время выдержки в конечном итоге зависит от получения хорошей закалочной структуры нагрева в требуемой зоне закалки. Нагрев и выдержка - важные этапы, которые влияют на качество закалки. Состояние структуры, полученной при аустенитизации, напрямую влияет на характеристики после закалки. Размер зерна аустенита в деталях из стали общего назначения контролируется на уровне 5-8.

Закалка Охлаждение

Чтобы высокотемпературная фаза в стали - аустенит - превратилась в низкотемпературную метастабильную фазу - мартенсит в процессе охлаждения, скорость охлаждения должна быть больше критической скорости охлаждения стали. В процессе охлаждения заготовки существует определенная разница между скоростью охлаждения поверхности и сердцевины. Если эта разница достаточно велика, она может привести к тому, что деталь со скоростью охлаждения, превышающей критическая скорость охлаждения превращается в мартенсит, в то время как ядро, скорость охлаждения которого меньше критической, не может превратиться в мартенсит.

Чтобы обеспечить превращение всего поперечного сечения в мартенсит, необходимо выбрать закалочную среду с достаточной охлаждающей способностью и обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения сердцевины заготовки. Но если скорость охлаждения велика, внутреннее напряжение, вызванное неравномерным тепловым расширением и сжатием внутри заготовки, может привести к ее деформации или растрескиванию. Поэтому, учитывая два вышеуказанных противоречивых фактора, важно разумно выбрать закалочную среду и метод охлаждения.

Этап охлаждения - это не только получение приемлемой структуры деталей, достижение требуемых эксплуатационных характеристик, но и сохранение точности размеров и формы деталей. Это ключевое звено в процессе закалки.

Твердость заготовки

Твердость закаленной заготовки влияет на эффект закалки. Твердость закаленной заготовки обычно определяется по значению HRC, измеряемому твердомером Роквелла. Значение HRA может быть измерено для тонких твердых стальных листов и заготовок с поверхностной закалкой, а для закаленных стальных листов толщиной менее 0,8 мм, заготовок с поверхностной закалкой с неглубоким слоем и закаленных стальные прутья диаметром менее 5 мм, для измерения их твердости HRC можно использовать поверхностный твердомер Роквелла.

Когда сварка углеродистой стали и некоторых легированных сталей закалка может привести к тому, что зона термического влияния станет твердой, что чревато холодным растрескиванием. Этого следует избегать во время процесс сварки.

Из-за твердости и хрупкости металла после закалки возникающие остаточные поверхностные напряжения могут вызвать холодные трещины. Отпуск может быть использован как один из методов устранения холодных трещин без снижения твердости.

Закалка больше подходит для деталей небольшой толщины и диаметра. Для более крупных деталей глубина закалки недостаточна, и та же проблема возникает при науглероживании. В это время следует рассмотреть возможность добавления в сталь таких сплавов, как хром, для повышения прочности.

Закалка является одним из основных способов упрочнения стальных материалов. Мартенсит в стали является самой твердой фазой в структурах твердых растворов на основе железа, поэтому стальные детали могут получить высокую твердость и высокую прочность путем закалки. Однако мартенсит очень хрупок, и в стали после закалки возникает большое внутреннее напряжение, поэтому она не подходит для прямого применения и должна быть закалена.

Различные виды методов закаливания

Односреднее закаливание: Заготовка охлаждается в одной среде, например, в воде или масле. Преимуществами являются простота эксплуатации, легкая механизация и широкое применение. Недостатком является то, что закалка в воде вызывает большое напряжение, что делает заготовку склонной к деформации и растрескиванию; закалка в масле имеет медленную скорость охлаждения, малый диаметр закалки и затрудняет закалку больших заготовок.

Двойное среднее закаливание: Заготовка сначала охлаждается до температуры около 300℃ в среде с сильной охлаждающей способностью, а затем охлаждается в среде с более слабой охлаждающей способностью. Этот метод позволяет эффективно снизить внутреннее напряжение из-за мартенситного превращения и уменьшить склонность заготовки к деформации и растрескиванию.

Поэтапное закаливание: Заготовка закаливается в низкотемпературной соляной или щелочной ванне с температурой около точки Ms. Заготовка остается при этой температуре в течение 2-5 минут, а затем охлаждается на воздухе.

Изотермическое закаливание: Заготовка закаливается в изотермической соляной ванне, температура соляной ванны находится в нижней части бейнитной зоны (немного выше, чем Ms). Заготовка остается при той же температуре в течение длительного времени до завершения бейнитного превращения, а затем охлаждается на воздухе.

Поверхностное закаливание: Поверхностная закалка - это метод частичной закалки поверхностного слоя стального изделия на определенную глубину, в то время как сердцевина остается незакаленной.

Индукционная закалка: Индукционный нагрев использует электромагнитную индукцию для создания вихревых токов в заготовке для нагрева.

Криогенное закаливание: При этом в качестве закаливающей среды используется раствор ледяной воды, обладающий сильной охлаждающей способностью.

Частичное тушение: При этом закалке подвергаются только те части заготовки, которые необходимо закалить.

Закалка с газовым охлаждением: конкретно относится к нагреву в вакууме и закалке в циркулирующем с высокой скоростью нейтральном и инертном газе отрицательного давления, нормального давления или высокого давления.

Закалка с воздушным охлаждением: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется принудительно подаваемый воздух или сжатый воздух.

Закаливание рассолом: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется раствор соленой воды.

Закалка органических растворов: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется водный раствор органического полимера.

Закаливание спреем: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется струйный поток жидкости.

Горячая ванна Охлаждение: Это предполагает закалку заготовки в горячей ванне, например, в расплавленной соли, расплавленной щелочи, расплавленном металле или высокотемпературном масле.

Двухжидкостное закаливание: После нагрева заготовки для образования аустенита ее сначала погружают в среду с сильной охлаждающей способностью, а когда она должна претерпеть мартенситное превращение, ее сразу же переносят в среду со слабой охлаждающей способностью для охлаждения.

Закалка под давлением: После нагрева заготовки до образования аустенита ее закаливают в специальных приспособлениях зажимс целью уменьшения деформации при охлаждении закалкой.

Сквозное садоводство: Это предполагает закалку заготовки от поверхности до сердцевины полностью.

Изотермическое закаливание: Заготовка быстро охлаждается до интервала температур бейнитного превращения для поддержания изотермичности после нагрева для образования аустенита, что позволяет аустениту превратиться в бейнит.

Поэтапное закаливание: После нагрева заготовки для образования аустенита ее погружают в щелочную или соляную ванну с температурой немного выше или ниже точки M1 на определенное время, и после того, как вся заготовка достигает средней температуры, ее вынимают для охлаждения на воздухе, чтобы получить мартенсит.

Субтемпературная закалка: Заготовки из гипоэвтектоидной стали закаливаются после аустенизации в диапазоне температур Ac1-Ac3 для получения мартенситной и ферритной структур.

Прямое закаливание: Это предполагает непосредственную закалку заготовки после науглероживания.

Двойное закаливание: После науглероживания заготовка сначала аустенизируется при температуре выше Ac3, а затем закаливается для уточнения структуры сердцевины. Затем ее аустенизируют при температуре немного выше Ac3 для уточнения структуры науглероженного слоя.

Самоохлаждающаяся закалка: После быстрого нагрева заготовки для локальной или поверхностной аустенизации тепло от зоны нагрева самостоятельно распространяется на ненагретую область, вызывая быстрое охлаждение аустенизированной области.

Применение закаливания

Закалка широко используется в современном машиностроении. Важные детали в машиностроении, особенно стальные детали, используемые в автомобилях, самолетах и ракетах, почти все подвергаются закалке. Чтобы удовлетворить разнообразные технические требования к различным деталям, были разработаны различные процессы закалки. Например, в зависимости от обрабатываемых деталей различают общую, частичную и поверхностную закалку; в зависимости от того, завершено ли фазовое превращение при нагреве, различают полную и неполную закалку (для гипоэвтектоидной стали этот метод также называют субкритической закалкой); в зависимости от содержания фазового превращения при охлаждении различают ступенчатую закалку, изотермическую закалку и низкоскоростную закалку.

Кроме того, из-за особенностей и ограничений каждого метода закалки, все они используются при определенных условиях, среди которых наиболее часто применяются поверхностная закалка с индукционным нагревом и закалка в пламени. Нагрев лазерным лучом и нагрев электронным лучом - это быстро развивающиеся методы закалки с высокой плотностью энергии. Поскольку они обладают некоторыми характеристиками, которых нет у других методов нагрева, они привлекают внимание.

Поверхностная закалка широко используется в деталях машин, изготовленных из среднеуглеродистой закаленной стали или ковкого чугуна. Потому что среднеуглеродистая закаленная сталь может сохранять высокие комплексные механические свойства в сердцевине и высокую твердость (>HRC 50) и износостойкость на поверхности после предварительной обработки (закалки или нормализации) и последующей поверхностной закалки. Например, шпиндели станков, зубчатые колеса, коленчатые валы дизельных двигателей, распределительные валы и т.д. В принципе, поверхностная закалка может быть выполнена на основе перлитного ферритного железа серый чугунковкий чугун, ковкий чугун, легированный чугун и т.д., которые эквивалентны составу среднеуглеродистой стали. Технологические характеристики ковкого чугуна являются наилучшими, кроме того, он обладает высокими комплексными механическими свойствами, поэтому он наиболее широко используется.

После высокоуглеродистая сталь при поверхностной закалке, хотя поверхностная твердость и износостойкость улучшаются, пластичность и вязкость сердцевины относительно низкие, поэтому поверхностная закалка высокоуглеродистой стали в основном используется для инструментов, измерительных инструментов и валков с высокой холодной закалкой, которые переносят небольшие удары и переменные нагрузки.

Поскольку эффект упрочнения после поверхностной закалки низкоуглеродистой стали незначителен, ее применяют редко.