Как закалить сталь 3

Обновлено: 24.04.2024

К категории конструкционных углеродистых сплавов обыкновенного качества относится сталь 3, характеристики которой обеспечили ей применение во многих областях народного хозяйства. Одним из факторов, способствующих широкому распространению материала, является его низкая себестоимость.

Химический состав

Расшифровка марки стали Ст3 указывает на основные компоненты в ее составе – железо (97%) и углерод (0,14-0,22%). От концентрации углерода зависит основное качество сплава – его твердость. В состав стали входят также небольшие количества:

марганца – 0,4-0,65%;
кремния – 0,15-0,17%;
никеля и хрома – по 0,3%;
мышьяка – 0,08%;
меди – до 0,3%;
серы – 0,05%;
фосфора – 0,04%;
азота – до 0,008%.

Особенностью сплава Ст3 является жесткое регламентирование содержания вредных примесей – серы и фосфора. Фосфор снижает пластичность металла при действии высоких температур, а сера при взаимодействии с железом образует сульфиды, вызывающие явление красноломкости. Следует отметить и повышенную концентрацию азота, на который приходится почти 0,1%. В соответствии с ГОСТом 380-2005 сплав маркируется с сопутствующими индексами, которые указывают на степень раскисления, например, Ст3Гсп:

первые две буквы указывают на углеродистую сталь обыкновенного качества;
цифра «3» означает порядковый номер марки по данному ГОСТу;
знак «Г» свидетельствует о модификации с повышенным содержанием марганца;
«сп», «кп», «пс» – степени раскисления.

Заменителями марки стали Ст3 могут выступать:

С245, согласно ГОСТу 27772-88;
С285;
ВСт3Сп.

Зарубежные аналоги маркируются по другим правилам:

A57036, K01804 – США;
40B, 722M24, HFS4 – Великобритания;
1.0038, DC03 – Германия;
E24-2, E24-4 – Франция;
SS330, SS400 – Япония;
Fe360B, Fe360C – Италия;
G235C – Китай;
RSt360B – Австрия;
Fe235D – Венгрия.

Номенклатура продукции включает:

Свойства сплава

Основные физические свойства стали 3:

плотность – 7850 кг/м 3 , показатель может колебаться в определенных пределах;
модуль упругости – 200 ГПа;
коэффициент теплопроводности – 55 Вт/м*К;
величина, характеризующая отношение относительного поперечного сжатия к растяжению – 0,3.

Среди технических параметров особое значение придается:

поверхностной твердости – 131 МПа;
временному сопротивлению – 360-570 МПа;
пределу текучести – 235-245 МПа;
относительному удлинению – 33%;
относительному сужению – 59%;
температурному диапазону ковки – 750-1300 градусов;
неограниченной свариваемости любым из возможных способов;
отсутствию склонности к отпускной хрупкости и флокеночувствительности.

Раскисление стали

На механические свойства стали Ст3 большое влияние оказывает степень раскисления, которая обязательно должна указываться в маркировке. Раскислением называют процесс удаления растворенного кислорода из расплава. Кислород считается вредной примесью, так как он образует с железом оксиды, повышающие хрупкость и пористость сплава.

В качестве раскислителей используются вещества, обладающие более высоким сродством к кислороду, чем железо – марганец, кремний или алюминий. Соединяясь с кислородом, они восстанавливают железо до свободного состояния. Образующиеся при этом оксиды MnO, SiO2, Al2O3 удаляются вместе со шлаками. Различают три степени окисления стали.

Спокойные стали входят в разряд самых качественных. Они маркируются символами «сп» и отличаются:

плотной, однородной структурой;
высокими показателями пластичности;
максимальной устойчивостью к коррозии.

Характеристики стали 3сп позволяют использовать ее при сооружении несущих металлоконструкций. Ее главным недостатком является высокая стоимость.

Полуспокойные стали («пс») занимают промежуточное положение по качеству и цене. Их кристаллизация происходит без кипения, но с выделением большого количества газа. В силу более доступной стоимости полуспокойные стали часто используют для изготовления менее ответственных изделий.

Кипящие стали характеризуются:

неоднородной структурой;
высокой загрязненностью газами;
повышенной хрупкостью.

Но они превосходно поддаются обработке при любом температурном режиме. При соблюдении необходимых условий они представляют самый доступный и практичный материал.

Термическая обработка

Для улучшения эксплуатационных характеристик стали Ст3 применяется термообработка с помощью:

отжига, позволяющего добиться равновесной структуры металла и более низкой пластичности;
закалки, придающей сплаву максимальную твердость;
отпуска, который снимает внутренние напряжения, возникающие при закалке;
цементации, повышающей поверхностную твердость и износоустойчивость без изменения внутренней структуры.

для закалки – 900-920 градусов;
отпуска – 180-250;
нормализации – 920-950 градусов.

После термообработки основной структурной составляющей поверхности сплава становится мартенсит с карбидами высокой износостойкости и твердости – выше 60 HRC. Внутренняя структура металла будет оставаться пластичной и вязкой с показателем твердости 30-42 HRC.

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы сплава определяются его механическими свойствами. Одной из важных характеристик стали 3 является хорошая свариваемость без предварительной подготовки и последующей термообработки. Сварку можно проводить любым из методов:

дуговым;
электрошлаковым;
контактно-точечным;
плавящимся электродом в углекислом газе;
аргонно-дуговым.

Для изделий, толщина которых превышает 36 мм, сварочные работы рекомендуется проводить с подогревом детали и термической обработкой шва.

Сплав представляет универсальный конструкционный материал, который по совокупности положительных качеств превосходит высоколегированные стали.

Достоинства марки стали Ст3сп состоят:

в наличии гомогенной структуры, обеспечивающей защиту металла от внешнего воздействия;
высокой коррозионной устойчивости;
повышенной твердости и упругости;
отсутствии флокеночувствительности и отпускной хрупкости;
устойчивости к динамическим нагрузкам;
доступной стоимости по сравнению с другими сплавами.

Недостатком сталей Ст3 является невысокая устойчивость к низким температурам.

Область применения

Технологические параметры спокойных сталей позволяют использовать их в производстве:

листового и фасонного проката;
труб и арматуры для магистральных газопроводов;
крупных подвесных конструкций в железнодорожной отрасли;
двухслойных листов, устойчивых к коррозии.

Наиболее широкое применение имеют полуспокойные стали. Несмотря на сниженные показатели твердости и пластичности, эти сплавы характеризуются более доступной стоимостью. Из них получают:

трубы для систем отопления разного диаметра и толщины стенок;
листовой прокат для обшивки корпуса различных агрегатов;
уголки и квадраты для несущих конструкций.

Кипящая сталь входит в категорию самых доступных по стоимости. Из-за высокой концентрации кислорода эксплуатационные свойства материала заметно ниже, но он хорошо поддается термической обработке. Из него производят изделия рядового назначения, которые не подвергаются переменным нагрузкам.

Как правильно закалить сталь в домашних условиях, так чтобы деталь не треснула

Некоторые процедуры термической обработки металлов возможно провести в домашних условиях. Рассмотрим, как раскалить железо с минимальным набором оборудования, как провести процесс закалки дома, соблюдая основные технологические шаги и получить достойный результат.

Как закалить металл в домашних условиях — способы

Возможности рядового обывателя ограничены, для разогрева и последующей работы с металлом могут быть использованы:

пропановые горелки;
печи (в том числе отопительные);
мини-кузницы с наддувом.

Закалка деталей из стали в домашних условиях требует одного обязательного условия: достижения весьма высокой температуры. Если имеется способ разогреть заготовку до рабочей температуры — оранжевый или соломенно-желтый металл, можно переходить к подбору емкости.

Охлаждающая жидкость должна полностью покрыть упрочняемую заготовку и не деформироваться в случае соприкосновения с разогретым куском железа.

Для разогрева в качестве топлива чаще всего используют уголь — он имеет высокую температуру горения. Вместе с наддувом (фен или пылесос обратного выдува) можно добиться порогового значения для закалки железа.

Закалка на открытом огне

Наиболее доступный вариант раскалить железо дома — нагреть его в открытом пламени. Уровень нагрева контролируется зрительно по цветографической шкале. Подойдет любой источник с открытым пламенем, способный создать температура около 1000 градусов Цельсия.

Закалка и отпуск в домашних условиях имеют один значительный минус — неравномерный прогрев детали или заготовки. Если деталь большая, а пламя невелико, максимальная температура будет отмечена только в зоне непосредственного контакта огня и детали.

Один из аспектов домашней закалки — поверхностная деградация металла. Разогрев бытовыми способами способствует выгоранию углерода на поверхности железа, что разрушает структурные связи в металле.

Таким образом оптимально упрочнить:

режущую кромку ручного инструмента (в том числе разнообразных сверел, зубило);
небольшую деталь целиком (в пределах 2-5 см).

Правильная методика работ с металлом это нагрев и охлаждение в другой среде. Но для простейших работ допустимо выполнение только части процедуры с применением одной жидкости.

Закалка в одной среде

Чтобы закалить металл своими руками в одной среде (одноступенчатая операция), достаточно разогреть металлический предмет до рабочей температуры.

После этого производится перемещение в закалочную жидкость. Изделие находится в данной среде до полного охлаждения.

Метод весьма прост и распространен — его применяют как при ручном, так и механизированном труде. В качестве жидкости выступает вода или масло для закалки. К недостатку относится неравномерное падение температуры по объему детали. В результате термических напряжений происходят изменения в структуре материала. За счет изменения объемов связей возможно появление трещин, деформация поверхности детали.

Закалка стали одной средой в домашних условиях допустима для простейших элементов, деталей и изделий.

Ступенчатая операция

Метод направлен на снижение внутренних напряжений в структуре металла, исключения трещин. Потребуется солевой раствор — для примера можно привести доступную к покупке селитру. Раскаленный металл погружается в солевою среду (температура 300-400 градусов) на время, за которое деталь остынет до уровня жидкости.

Среднее время выдержки — 2 минуты.

Последний этап — полное охлаждение на воздухе, во время которого происходит мартенситное превращение структурных связей. Допустимо применять для закалки металла, относящегося к категориям быстрорежущих сталей, а также марок ХВГ, Х121 и подобным сортам.

Сталь с обработкой подобным способом на порядок прочнее, чем после процедуры в одной среде.

Изотермическая

Технологически данный метод похож на ступенчатый, за исключением увеличенного промежутка выдержки в среде раствора соли. За счет большого промежутка реализуется процесс распада аустенита и одновременное формирование нижнего слоя бейнита.

Обычные углеродистые стали не получают качественного роста прочности за счет изотермической закалки.

Светлая

Технологический сложный процесс — закалить черный металл в домашних условиях по такой методике почти невозможно.

Для осуществления светлой процедуры каления необходимы промышленные печи, имеющие защитную среду. Мелкие инструменты или детали при такой методике обрабатывают в автоматических установках.

Суть метода: после печи раскаленный металл помещается в емкость с селитрой или смесью едкой щелочи. Рабочая температура — 200 градусов. За счет агрессивной среды из калия и натрия с незначительным добавлением воды требуется соблюдение герметичности всей установки.

Чаще всего закаливание таким методом проводят для элементов сжатия/растяжения, зубчатых колес и валов, испытывающих знакопеременные нагрузки при эксплуатации.

Распространенные среды для самостоятельного каления

Процесс остывания заготовок проходит через стадию погружения в жидкостную среду. Закалить металл своими силами в домашних условиях можно с помощью воды, масла, водных растворов солей.

Закалка в воде

Вода является наиболее доступной средой для процедуры закаливания металла в домашних условиях. Важный недостаток водной среды — весьма малая эффективность. Всегда есть шанс получить дефекты на детали из-за быстрого остывания, поэтому водное охлаждение подходит для низкоуглеродистых сталей. Для высокоуглеродистых сталей эффективнее применять масляную среду.

Закалка металла в масле

За счет снижения падения температуры происходит минимизация напряжений в структурах металла. Остывающая в масле сталь со сложной конфигурацией детали в меньшей степени подвержена трещина и иным дефектам.

Изготовление камеры для закаливания металла

Описанная методика — бюджетный вариант муфельной печи для домашней термообработки. Заводские устройства стоят очень дорого.

Формовка будущего муфельного агрегата создается из завоскованного картона. На эту модель наносится глина — при высыхании бумага отойдет и может быть удалена руками. Для загрузки заготовок используется специальная дверца, изготавливаемая из аналогичной глины.

После естественной сушки на воздухе камеру и заслонку нагревают до 100 градусов. Следующий этап — обжиг. Процедура происходит при температуре в 900 градусов. После остывания оба элемента подгоняются для плотного прилегания с использованием УШМ и шлифовальной бумаги.

Сверху камеру необходимо обмотать проволочным нихромом. Сечение — 0.75 мм2. Первый и последний слой соединяются. Витки на камеру укладываются с интервалом, который в дальнейшем заполнит огнеупорная глина. Это защитит проволоку, исключит риск короткого замыкания. Изолирующий слой накрывается итоговым защитным поясом из глины. Рекомендуемая толщина — 12 см.

Просушенная заготовка помещается в металлический корпус. Имеющиеся зазоры заполняют асбестом. Для доступа к зоне нагрева на корпус монтируются дверцы с отделкой керамоплиткой.

Важно. Все технологические зазоры заполняются огнеупорными материалами: глиной или асбестом.

Нихромовая проволока выводится на тыльную сторону каркаса. Концы изолируются для исключения замыкания на корпус. В качестве контрольных в передней части подготавливаются два отверстия. Одно для термопары с целью контроля температуры, второе для визуального осмотра. Для закрытия необходимо предусмотреть специальные стальные жалюзи.

Несмотря на небольшой формат конструкции, с ее помощью можно правильно закалить инструмент и металл в домашних условиях.

Изготовление простого горна — инструкция

Важное условие — необходимо использовать шамотный кирпич. Глина в его составе выдерживает температуры до 2500 градусов.

Порядок сборки конструкции бытового горна:

Составляем из 4 шамотных кирпичей квадрат, в центре которого размещаем чугунный цилиндр. Связываем кирпичи сварной рамкой из уголка.
Под цилиндр ввариваются отдельные ребра из уголков. Горизонтальные полки прорезаются, цилиндр размещается в отверстии и проваривается.

Варим прихватками, чтобы конструкцию не деформировало.

Возвращаем конструкцию в рабочее положение. Укладываем в рамку кирпичи, а на цилиндр — колосники. Это исключит падение угля в патрубок подачи воздуха.

Для повышения температуры свыше 1300 градусов потребуется установка принудительной подачи воздуха.

Далее снизу ввариваем тройник. В его нижней части будет заслонка для удаления золы, а сбоку будет подводиться воздушный поток.
Закрепляем улитку вентилятора к отводу для подачи воздуха, привариваем ноги. Высота горна должна быть комфортной для роста кузнеца.

Важно. Размещение горна необходимо производить вдали от деревянных строений и легковоспламеняющихся конструкций. После работы остатки углей накрыть, не производить очистку в ветреную и сухую погоду.

Проверка твердости после закаливания металла в домашних условиях

Чтобы оценить, насколько закаленный дома металл стал прочным, потребуется специальное оборудование. Суть теста следующая:

В каленый предмет вдавливают эталонный по прочности шарик с заданным усилием. На основе полученной вмятины производится оценка прочности. Прибор и методика носит имя ученого Роквела. Аналогичные испытания могут проведены по методике Бринелля.

Точно высчитать, насколько эффективна закалка металла в домашних условиях, не получится.

Простейший способ — попытаться поцарапать закаленным предметом стекло обычной бутылки. Оценить твердость инструмента можно на нескольких образцах, упрочненных в разных условиях.

Особенности закалки железа

Чтобы получить качественный закаленный дома металл, необходимо придерживаться советов:

Применять в качестве среды закалки масло.
При разогреве оптимально использовать пирометр для контроля нагрева.
Нагрев необходимо производить постепенно и равномерно, если деталь большая.
Присутствие потемнений на металле — знак локального перегрева.
Если нет пирометра, ориентироваться стоит на алый цвет.
Железо закаливается и отпускается в одном режиме.

Отпуск — процесс дополнительного нагрева детали, после завершения охлаждения. Отпуск металла проводится на условиях, соответствующих конкретной марки стали. Цель процедуры — снятие возникших при упрочнении напряжений.

Как закалить инструментальную сталь

Инструментальные сорта стали наиболее качественно упрочняются в заводских условиях. Есть несколько советов для работы с данными марками металла:

Оптимально применять ступенчатую методику упрочнения.
Можно задействовать нержавеющие сорта металла.
Индикатор прогрева — ярко-оранжевый цвет поверхности.
Важно соблюдать цикл процедуры, закалять при плавном нагреве и точно выдерживать по времени в охлаждающей среде.
Ускорение нагрева ведет к деградации металла и появлению стойких пятен перекала. Способы чистки для дефектов не применимы.

Для инструментальных сортов в обязательном порядке проводят отпуск стали, чтобы снизить напряжение и исключить выкрашивание рабочей кромки.

Можно ли закалить Сталь 3

Сталь 3 является низкоуглеродистым материалом. Правильный порядок действий в таком случае:

При цементации есть риск получения большого количества окалины из-за выгорания поверхностного слоя углерода. Целесообразно использовать другую сталь, подходящую для упрочнения.

На видео ниже можете посмотреть способ как закалить сталь 3 доме без цементации

Особенности закалки алюминия

Чтобы правильно закалить такой цветной металл как алюминий необходимо знать марку сплава и обеспечить точность нагрева. Если процесс охлаждения производится неверно, алюминиевая деталь деформируется и теряет изначальную прочность. В домашних условиях, без промышленного оборудования и документации на сплав закалка алюминия не принесет положительного результата.

Особенности закалки меди

Медные детали или проволока, закаленные по правилам работы с железом станут хрупкими. Температура нагрева меди не должна превышать 400 градусов. Процесс остывания проходит в воздушной среде. Весь цикл работ по упрочнению медных изделий должен сопровождаться инструментальным и приборным контролем. Если оснастки нет — качественно провести упрочнение не получится.

Как самостоятельно провести отпуск после закалки

Отпуск стали позволит уменьшить хрупкость, увеличить пластичность. Для этого требуется нагрев на меньшую, чем при калении, температуру и плавное, постепенное охлаждение.

Основная масса сортов стали проходит отпуск на температурах 150-250 градусов. Такой диапазон нагрева можно подобрать в обычной бытовой духовке, чем и пользуется домашний мастер закалки.

Температура нагрева при прохождении отпуска устанавливается по оттенку побежалости. Это расцветка пленки, формирующейся за счет нагрева на поверхности заготовок. При мартенситном калении, то есть резким охлаждением в среде воды, формируется твердая поверхность, но очень хрупкая. Отпуск в таком случае проводится обязательно.

Возможные дефекты

Если технология упрочнения нарушается, возможно образование брака и дефектов, как локальных, так и занимающих всю закаленную поверхность.

трещины — данный дефект неустранимый, деталь считается испорченной;
коробление — подлежит исправлению, можно попытаться отрихтовать на небольшом нагреве;
окалина — появляется при разрушении поверхностной углеродной структуры. Восстановить поверхность металлической заготовки или детали невозможно. Для исключения появления окалины нужно соблюдать технологию закалки.
пережог (перекал, синекаль) — исправлению не подлежит за счет невозвратных изменений в зоне перегрева на структурном уровне;
низкая твердость — малый эффект от упрочнения наступает из-за несоблюдения техники закаливания.

Закаливание металла — важный процесс термической обработки. Соблюдение простых правил взаимодействия с металлом дает возможность самостоятельного упрочнения инструмента и бытовых изделий из стали.

Читайте также: