Рубрика: Термическая обработка
Закалка — главная операция упрочняющей термической обработки. Именно она превращает мягкую, легко обрабатываемую заготовку в деталь, которая держит нагрузку, сопротивляется износу и не сминается под давлением. Но результат закалки определяется не только маркой стали: температура нагрева, время выдержки, скорость охлаждения и подготовка детали влияют на твердость и надежность не меньше, чем химический состав. В статье разбираем, что происходит с металлом при закалке, какие виды закалки применяют на производстве и как подобрать режим под конкретную деталь.
В основе закалки лежит фазовое превращение. При комнатной температуре углеродистая и низколегированная сталь состоит в основном из феррита и перлита — структуры относительно мягкой и пластичной. При нагреве выше критических точек Ac1 и Ac3 эта структура превращается в аустенит, способный растворить значительное количество углерода. Если затем охладить сталь достаточно быстро, углерод не успевает выделиться, и аустенит превращается в мартенсит — пересыщенный твердый раствор с сильно искаженной кристаллической решеткой. Мартенсит и дает высокую твердость закаленной стали.
Для каждой стали существует минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит еще превращается в мартенсит, а не в перлит или бейнит. Ее называют критической. Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость, поэтому их закаливают в воде или водных растворах. Легирующие элементы — хром, никель, молибден, марганец — снижают критическую скорость, и такие стали можно охлаждать в масле, а высоколегированные — даже на воздухе или в потоке газа.
Прокаливаемость — это глубина, на которую сталь закаливается на мартенсит или полумартенситную структуру. У углеродистой стали У8 или стали 45 сквозная закалка достигается только в небольших сечениях: в валу диаметром 60–80 мм сердцевина останется значительно мягче поверхности. Легированные стали 40Х, 40ХН, 38ХН3МА, 30ХГСА прокаливаются глубже, поэтому для крупных нагруженных деталей выбирают именно их. Выбор марки под требуемое сечение — первый шаг к правильной закалке, и его лучше согласовать с технологом еще на стадии конструирования.
Режим закалки описывается тремя группами параметров: температурой нагрева, временем выдержки и условиями охлаждения. Ошибка в любом из них приводит либо к недостаточной твердости, либо к трещинам и короблению.
Доэвтектоидные стали (с содержанием углерода менее 0,8 %) нагревают на 30–50 °C выше точки Ac3 — это полная закалка. Заэвтектоидные стали, например У10, У12, ШХ15, нагревают выше Ac1, но ниже Acm — неполная закалка, при которой в структуре сохраняются избыточные карбиды, повышающие износостойкость. Перегрев опасен: зерно аустенита растет, мартенсит получается крупноигольчатым, ударная вязкость падает, увеличивается риск трещин. Недогрев не позволяет полностью растворить феррит или карбиды, и твердость не достигает нормы.
Выдержка нужна, чтобы деталь прогрелась по всему сечению и структура успела выровняться. На практике время считают по наибольшему сечению: для углеродистых сталей в электропечи ориентируются примерно на 1–1,5 минуты на миллиметр толщины с учетом прогрева, для легированных — на 1,5–2 минуты. Для высоколегированных инструментальных сталей выдержка при окончательной температуре короче, но нагрев ведут ступенчато. Слишком долгая выдержка увеличивает обезуглероживание и рост зерна.
Среда должна обеспечить скорость выше критической в интервале минимальной устойчивости аустенита (около 500–650 °C) и, по возможности, медленное охлаждение в мартенситном интервале, где возникают наибольшие напряжения. Идеальной среды не существует, поэтому выбирают компромисс между твердостью и риском дефектов.
| Охлаждающая среда | Интенсивность | Типичные стали | Особенности |
|---|---|---|---|
| Вода | Высокая | Ст45, У7–У12 в простых сечениях | Высокий риск трещин и коробления, паровая рубашка снижает равномерность |
| Водный раствор соли или щелочи | Очень высокая | Углеродистые стали | Разрушает паровую рубашку, дает более равномерную твердость |
| Полимерные водные растворы | Регулируемая | Углеродистые и легированные | Концентрацией подбирают скорость между водой и маслом |
| Минеральное закалочное масло | Средняя | 40Х, 40ХН, ШХ15, ХВГ, 9ХС | Меньше напряжений, требует контроля температуры масла |
| Расплавы солей и щелочей | Умеренная, ступенчатая | Инструментальные стали, мелкие детали | Позволяют ступенчатую и изотермическую закалку |
| Воздух, инертный газ | Низкая | Х12МФ, Р6М5 (частично), стали с высокой прокаливаемостью | Минимальные деформации, применимо только к высоколегированным маркам |
Помимо выбора среды, на результат влияет схема охлаждения. На производстве применяют несколько основных вариантов.
Самый простой и распространенный способ: деталь переносят из печи в бак с водой или маслом и выдерживают до полного остывания. Подходит для деталей простой формы из сталей с подходящей прокаливаемостью. Недостаток — высокие внутренние напряжения, особенно при охлаждении в воде.
Деталь сначала охлаждают в воде, проходя опасный интервал перлитного превращения, а затем переносят в масло или на воздух, где идет мартенситное превращение. Так снижают напряжения в углеродистых сталях. Способ требует опыта термиста: время пребывания в воде определяют по сечению, обычно секунда-две на каждые 5–6 мм толщины.
Деталь охлаждают в расплаве соли с температурой чуть выше начала мартенситного превращения, выдерживают до выравнивания температуры по сечению и только потом охлаждают на воздухе. Мартенсит образуется практически одновременно во всем объеме, поэтому коробление и риск трещин заметно меньше. Метод широко используют для инструмента и точных деталей небольшого сечения.
Деталь выдерживают в соляной ванне при 250–400 °C до завершения превращения аустенита в нижний бейнит. Твердость получается несколько ниже, чем после закалки на мартенсит, зато вязкость и сопротивление ударным нагрузкам выше, а деформации минимальны. Изотермическую закалку применяют для пружин, крепежа, деталей сложной формы, которые нельзя рихтовать после термообработки.
Не всегда нужно закаливать деталь целиком. По объему упрочнения различают объемную и поверхностную закалку.
Поверхностное упрочнение часто дает лучшее сочетание свойств: твердая износостойкая оболочка и вязкая сердцевина, воспринимающая изгиб и удар. Подробнее о технологии индукционного нагрева — на странице услуги закалки ТВЧ.
Ниже приведены ориентировочные режимы для марок, которые чаще всего встречаются в чертежах машиностроительных деталей и оснастки. Конкретные значения технолог уточняет по сечению детали, состоянию поставки и требованиям чертежа.
| Марка стали | Температура закалки, °C | Среда | Твердость после закалки, HRC |
|---|---|---|---|
| 45 | 820–850 | Вода, полимер | 50–57 |
| 40Х | 840–860 | Масло | 50–55 |
| 65Г | 810–830 | Масло | 58–62 |
| У8А | 780–800 | Вода, затем масло | 61–64 |
| ШХ15 | 830–850 | Масло | 62–65 |
| 9ХС | 850–870 | Масло | 62–64 |
| Х12МФ | 1020–1040 | Масло, воздух | 60–63 |
| 40Х13 | 1000–1050 | Масло | 50–54 |
Твердость в таблице указана сразу после закалки. В готовой детали она почти всегда ниже, поскольку после закалки обязательно следует отпуск, снимающий напряжения и регулирующий соотношение твердости и вязкости.
Качество закалки во многом закладывается на стадии механической обработки и конструирования. Несколько практических правил:
При нагреве в окислительной атмосфере поверхность стали покрывается окалиной и теряет углерод. Обезуглероженный слой глубиной даже 0,1–0,2 мм заметно снижает твердость поверхности и усталостную прочность, а на инструменте — стойкость режущей кромки. Чтобы этого избежать, применяют:
Если поверхность после закалки все равно будет шлифоваться, небольшое окисление допустимо — его снимут припуском. Если же деталь идет в сборку без доводки, способ защиты нужно выбирать заранее.
Большая часть брака при закалке предсказуема и связана с нарушением режима или неудачной конструкцией детали.
Причины — недогрев, слишком короткая выдержка, медленное охлаждение, обезуглероживание поверхности или неверно выбранная марка стали с низкой прокаливаемостью. Исправляется, как правило, повторной закалкой после отжига или высокого отпуска.
Возникают при паровой рубашке в воде, налипшей окалине, загрязнении поверхности или неравномерном движении детали в ванне. Помогает интенсивное перемешивание среды, водные растворы солей или полимеров, тщательная очистка деталей.
Это неисправимый брак. Трещины появляются из-за перегрева, слишком резкого охлаждения, острых концентраторов напряжений, а также при задержке с отпуском — закаленная сталь с высокими напряжениями может растрескаться спустя часы после закалки. Поэтому отпуск проводят как можно скорее.
Неизбежно в той или иной степени, так как мартенситное превращение сопровождается увеличением объема. Его минимизируют правильной ориентацией детали при погружении, ступенчатой закалкой, предварительным снятием напряжений и выбором сталей, закаливаемых в мягких средах.
Для заказчика важно передать производству полную исходную информацию. Минимальный набор данных для расчета и выбора режима:
При отсутствии сведений о марке стали технолог может определить ее ориентировочно по искре, твердости в исходном состоянии или по результатам химического анализа, но надежнее опираться на документацию. На нашем производстве термическую обработку можно совместить с механической обработкой и шлифованием, чтобы получить деталь в окончательных размерах. Подробнее — в разделе термической обработки.
Закалка — не одна операция, а система решений: выбор марки стали под сечение, температура нагрева выше критических точек, достаточная, но не избыточная выдержка, правильная охлаждающая среда и схема охлаждения, защита поверхности и своевременный отпуск. Объемная закалка дает равномерную твердость по сечению, поверхностная — твердую оболочку при вязкой сердцевине, ступенчатая и изотермическая — минимальные деформации для сложных деталей. Чем точнее сформулированы требования в чертеже и заявке, тем быстрее технолог подберет режим и тем стабильнее результат в серии.
Если нужно закалить детали по чертежу, подобрать режим под марку стали или выполнить полный цикл обработки с последующим шлифованием, отправьте заявку — специалисты оценят задачу и предложат оптимальную технологию.
