Таблица закалки и отпуска сталей

Обновлено: 29.04.2024

Закалка стали – термическая обработка, включающая в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Процесс направлен на улучшение механических характеристик стали, металлов и сплавов.

Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения. Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском. Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

повышение твердости;
повышение прочностных характеристик;
снижение пластичности до допустимой величины;
возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
выдержка, установленная в технологической карте;
охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

температура нагрева;
скорость роста температуры;
период выдержки при закалочных температурах;
охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Марка стали	Температура закалки стали	Среда охлаждения после закалочного нагрева	Температура отпуска	Среда охлаждения после отпуска
У7	800°C	вода	170°C	вода, масло
У7А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У8, У8А	800°C	вода	170°C	вода, масло
У10, У10А	790°C	вода	180°C	вода, масло
У11, У12	780°C	вода	180°C	вода, масло
Р9	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
Р18	1250°C	масло	580°C	воздух в печи
ШХ6	810°C	масло	200°C	воздух
ШХ15	845°C	масло	400°C	воздух
9ХС	860°C	масло	170°C	воздух

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас₁.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

муфельные термические печи;
оборудование для индукционного нагрева;
установки для нагрева в расплавах;
аппараты лазерного нагрева;
газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Охлаждающие среды

Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:

вода;
воздушная или струя или струя инертного газа;
минмасло;
водополимерные смеси;
расплавленные соли – бария, натрия, калия;
металлические расплавы – свинцовые или оловянные.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

обезуглероживание;
окисление поверхности;
увеличение внутреннего напряжения;
изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Марка	Температура, °C	Марка	Температура, °C
15Г	800	50Г2	805
65Г	815	40ХГ	870
15Х, 20Х	800	3Х13	1050
30Х, 35Х	850	35ХГС	870
40Х, 45Х	840	30ХГСА	900
50Х	830

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Возможные дефекты после закалки

Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:

Отпуск стали

Отпуск стали – это процесс нагрева стали до определенной температуры и последующее охлаждение изделия. Процесс осуществляется для ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Отпуск стали –это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение – ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Общее описание процесса

Основные этапы проведения отпуска стали:

нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;
выдержка при требуемой температуре;
охлаждение с установленной скоростью.

В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.

Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:

интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;
металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;
полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.

В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали – высокий, средний и низкий.

Особенности низкого отпуска стали

Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.

Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса – +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость – 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Высокотемпературный отпуск стали – режимы, цели

Температуры высокого отпуска – +500…+650°C, получаемая структура стали – сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, – получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией – повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска – 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

Виды отпускной хрупкости

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.

Хрупкость I рода – низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей. Причина возникновения хрупкости I рода – активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса – искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой – выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур – не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода – высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

нагрев сплава до температур, превышающих +500°C;
наличие в стали высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni;
медленное охлаждение.

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод –легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом – 0,3-0,4%.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали – процесс температурного воздействия на материал. Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали.

Термическая обработка стали – это процесс температурного воздействия на материал. Он позволяет поменять размеры зерен внутри металла, то есть изменить его характеристики, улучшить.

При обработке применяется сразу несколько методов. Металл нагревают, выдерживают при определенной температуре и равномерно охлаждают. Делать это можно на разных этапах, как с заготовками, так и с уже готовыми изделиями.

Метод используется для достижения следующих целей:

значительное увеличение прочности и износостойкости;
защита материала от последующего воздействия высоких температур;
снижение риска появления коррозии;
устранение внутреннего напряжения в заготовках;
подготовка материала к последующей обработке, увеличение его пластичности.

Решение о выборе способа термической обработки применяется на основании анализа стоящей задачи, а также особенностей марки стали. Можно использовать материалы любого качества.

Сталь должна соответствовать трем основным требованиям:

относиться к категории инструментальных, конструкционных или специальных;
быть по составу легированной или углеродистой;
содержать не более 0,25% углерода для низкоуглеродистых сплавов и менее 0,7 % для высокоуглеродистых.

Рассмотрим, какие способы применяются в работе, их особенности и другие параметры, влияющие на результат и уровень качества.

Отпуск

Часто применяется в машиностроении, а также при изготовлении деталей разного назначения из стальных заготовок. Обычно используется с закалкой, потому что помогает снизить внутреннее напряжение материала. Это делает сырье значительно прочнее, снимает хрупкость, которая может появиться при воздействии повышенных температур.

Еще одна цель применения – увеличение показателей ударной вязкости. Материал становится менее жестким, а значит, при сильном внешнем механическом воздействии его будет сложно повредить.

Технология отпуска разделена на три типа:

Низкий. Технология используется для создания мартенситной структуры металла. Главная цель – значительно увеличить вязкость сырья и при этом сохранить его твердость.

Максимальная температура нагрева – до 250 °С. Обычно она составляет не более 150 °С. При таком нагреве сталь нужно будет держать около полутора часов. Охлаждение проводится внутри масла или воздуха, что помогает также упрочнить заготовку или готовое изделие.

Чаще всего низкий отпуск применяется при создании измерительного инструмента или разных типов режущих изделий.

Средний. Отличие заключается в повышении максимальной температуры до 500 °С. Обычно детали обрабатываются при нагреве до 340 °С. Применяется воздушное охлаждение.

Главная задача среднего отпуска – перевести мартенсит в троостит. Это обеспечивает рост вязкости на фоне понижения твердости. Технология пригодится, если планируется производить детали, работающие под сильными нагрузками.

Высокий. Одно из наиболее успешных средств, позволяющих снизить высокий уровень внутренней напряженности. Изделие прогревается до высоких температур, что помогает создать и нарастить вязкость и пластичность без потери прочности. Хотя методика сложна в использовании для ответственных деталей, она оптимальна. Диапазон нагрева – 450-650°С.

Отжиг

Метод применяется для стабилизации внутренней структуры материала и увеличения ее однородности. Это также помогает сильно уменьшить уровень напряжения. Технологический процесс предполагает нагрев до высоких температур, выдержку и длительное, медленное охлаждение.

В промышленности используется несколько основных подходов:

Гомогенизация. Ее также называют диффузионным отжигом. Это процесс термообработки стали в диапазоне температур от 1000 до 1150 °С. В таком состоянии сырье держится на протяжении 8 часов. Для некоторых марок стали время увеличивается до 15. Температура остывания контролируется. Из печи заготовку можно вытаскивать только при достижении 800°С. Далее температура естественно снижается на воздухе.
Рекристаллизация. Это низкий отжиг, необходимый после проведения деформации. Главная задача – сделать материал значительно прочнее путем изменения формы зерна во внутренней структуре. Температурный диапазон составляет 100-200 °С. По сравнению с гомогенизацией, длительность выдерживания сильно уменьшилась – до двух часов. Медленное остывание проходит внутри печи.
Изометрическое воздействие. Подходит только для легированных сталей. При создаваемом состоянии аустенит постепенно распадается. Температура зависит от природного максимума для конкретной марки металла. Предел должен быть превышен на 20-30°С. Остывание проходит в два этапа – быстрый и медленный.
Избавление от внутреннего и остаточного напряжения. Методика подойдет после того, как деталь проходит механическую обработку, сваривается или обрабатывается с использованием литья. Максимальная температура нагрева составляет 727°С. У этого процесса самый длительный период выдерживания среди всех разновидностей отжига –20 часов. Заготовка будет остывать очень медленно.
Полный. Если вам нужно достичь мелкозернистой структуры материала с преобладанием перлита и феррита. Методика подойдет для разных типов заготовок – от штампованных и литых до кованных. Метод нагревания здесь такой же, как у изометрического отжига – прогрев выполняется до предельной точки и еще на 30-50°С выше него. Охлаждение проводится до 500°С. Секрет качественного выполнения операции в том, чтобы контролировать скорость остывания. Она указывается из расчета на 60 минут. Для углеродистой стали остывание должно быть менее 150°С, а для легированной – 50°С.
Неполный. Основной задачей проведения неполного отжига является перевод перлита в ферритно-цементитную структуру. Технология подойдет для деталей, которые были созданы методом электродуговой сварки. При этом температура составляет 700°С, а длительность выдержки – 20 часов. После медленного охлаждения можно использовать заготовку – ее прочность и защита от повреждения значительно увеличатся.

Закалка

Закалка и отпуск стали являются одними из наиболее распространенных режимов термической обработки.

Такой вариант воздействия нужен, чтобы нарастить важные показатели материала – от твердости и максимальной упругости до защиты от износа и твердости. При помощи закалки удается уменьшить предел на сжатие и пластичность.

Такой формат обработки является одним из наиболее старых. Он основывается на быстром охлаждении прогретого до высоких температур металла. Предел нагрева отличается в зависимости от типа сплава. Нужно учитывать, при какой температуре начинает изменяться внутренняя кристаллическая решетка.

В зависимости от марки стали меняется несколько основных параметров:

Среда охлаждения. Самый простой способ – окунание в воду. Дополнительные полезные свойства позволяют получить применение технического масла, газов инертного типа и растворов с высоким уровнем содержания соли.
Скорость охлаждения. Меняется в зависимости от изначальной степени прогрева. Температура воды, соляного раствора или газа также может отличаться.
Нагрев. Выбирается в зависимости от пределов, нужных для изменения внутренней структуры. Для многих видов сырья этот показатель составляет около 900°С.

Нормализация

Процесс нормализации необходим для того, чтобы изменить структуру и создать внутри металла мелкое зерно. Этот вариант подходит как для легированных, так и для низкоуглеродистых сталей.

Главное преимущество технологии позволяет довести твердость до 300 НВ. Вы сможете использовать полученные горячекатаным методом заготовки, а также нарастить прочность, защиту от излома и вязкость. Это позволяет упростить процесс последующей обработки.

В качестве среды охлаждения используется воздух. Максимальные температуры нагрева – не более 50°С сверх установленного для материала предела.

Криогенная термообработка

Основы термической обработки стали криогенного типа заключаются в значительном охлаждении ранее закаленных заготовок. Главная цель использования – прекращение мартенситного преобразования.

Как и в случае с другими перечисленными средствами, заготовку потребуется постепенно прогреть до стандартной температуры.

Химико-термическая обработка

В ходе обработки происходит преобразование внешнего слоя материала. Это позволяет повысить твердость, защитить сырье от коррозии и дополнительно нарастить износостойкость.

В процессе могут использоваться следующие методы:

Цементация. Также называется науглероживанием. Поверхность насыщается углеродом. Сначала проводится термическая обработка, участки, которые не планируется обрабатывать, обмазываются защитными составами. Процедура проводится в диапазоне 900-950°С.
Азотирование. В отличие от цементации вместо углерода применяется азот. Для этого создается нагретая аммиачная среда. Температурный диапазон составляет 500-520°С.
Цианирование. Применяется как углерод, так и азот в разных соотношениях в зависимости от температуры. Процесс возможен как в газовой, так и в жидкой среде.
Хромирование. Один из видов металлизации. Назван так по основному веществу, которым насыщается материал (хром). Улучшает прочность, коррозийную стойкость, внешний вид детали.

Технология выбирается с ориентиром на особенности и характеристики конкретного типа сплава.

Закалка металла: способы, технология

Закалка металла выполняется с целью придания готовому изделию необходимой твердости. Степень твердости, в свою очередь, диктуется тем, как и где будет применяться изделие, будь то кухонный нож или резец для токарного станка. Неотъемлемым этапом закалки является отпуск, позволяющий вернуть заготовке необходимую прочность.

Закалка металла может производиться в промышленных и домашних условиях различными способами. Закаливать можно даже цветные металлы, правда, дома это сделать будет намного сложнее. О том, как и для чего производится закалка металла, вы узнаете из нашего материала.

Зачем нужна закалка металла

В древности мастера, которые занимались кузнечным делом, знали, для чего необходимо закаливать сталь. Если правильно подобрать температурный режим, удастся улучшить эксплуатационные параметры материала, поскольку его структура изменится.

Процесс закалки представляет собой термическую обработку стали, ее проводят, чтобы изменить механические параметры металла. Во время этого процесса перестраивается атомная решетка под воздействием повышенной температуры и последующего резкого охлаждения.

С помощью термической закалки металла можно улучшить эксплуатационные качества бюджетных сталей. Такой подход позволяет снизить себестоимость производимых товаров, увеличив прибыль компании.

Закалка металлов и сплавов необходима для того, чтобы:

сделать поверхностный слой более твердым;
повысить прочность металла;
снизить пластичность до нужного значения, в результате чего сопротивление на изгиб повысится;
уменьшить вес изделий, которые будут прочными и твердыми.

Технология закалки металла с последующим отпуском может отличаться. Выделяют несколько параметров процесса нагрева:

Температура нагрева.
Время, необходимое для нагрева.
Время выдержки металла в определенном температурном режиме.
Скорость, с которой металл охлаждается.

Перечисленные выше показатели влияют на изменение параметров металла при закалке. Однако наибольшее воздействие оказывает именно температура нагрева, поскольку от нее зависит процесс перестройки атомной решетки.

Так, время выдержки во время закалки металла нужно выбирать с учетом того, насколько прочным и твердым должна быть деталь, например зубчатое колесо, чтобы обеспечить максимально долгую эксплуатацию в условиях повышенного износа.

Что касается того, какие стали будут проходить процедуру закалки, необходимо брать в расчет зависимость температуры нагрева от процентного содержания углерода и примесей в металле.

Единицы закалки стали представлены максимально высокой температурой и временем выдержки.

Правильная закалка металла с улучшением его эксплуатационных характеристик возможна только при учете следующих нюансов:

Закаленный металл становится прочнее. Но твердая сталь более хрупкая.
На поверхности появляется слой окалины, поскольку здесь потеря углерода и примесей больше, чем в середине. Толщину окалины нужно учитывать, когда вы будете рассчитывать припуск, допустимые габариты изделий из закаленного металла.

Процесс закалки металла должен осуществляться с учетом скорости охлаждения. Если нарушить технологию, случится переход перестроенной атомной решетки в промежуточное состояние. В результате эксплуатационные свойства стали ухудшатся.

Например, если охлаждение происходит слишком быстро, металл трескается, на нем появляются дефекты, в результате такая заготовка не подходит для дальнейшего использования.

Виды сталей, подлежащих закалке

Проводить закалку и отпуск металла можно не на всех марках сталей. Дело в том, что марки, где содержится менее 0,4 % углерода не меняют свою твердость после проведения данной процедуры. Проводить их закалку нецелесообразно. Технология закалки подходит для инструментальных сталей.

Далее приведена таблица закалки и отпуска металла для разных марок инструментальных сталей:

Марка стали

Температура закалки стали

Среда охлаждения после закалочного нагрева

Температура отпуска

Среда охлаждения после отпуска

Способы закалки металла

Температура закалки металла и скорость охлаждения – главные характеристики, которые нужно учитывать. На выбор этих характеристик влияет марка стали, содержание в ней углерода и легирующих веществ.

Закалка металла в одной среде

Во время закаливания металла от среды зависит скорость охлаждения. Максимально твердая сталь получается, если окунать его в воду. По такой технологии закаливают среднеуглеродистые низколегированные, а также нержавеющие стали.

Когда в металле содержится более 0,5 % углерода и легирующих веществ, заготовка пойдет трещинами после охлаждения в водной среде. На металле появятся дефекты, он может разрушиться.

Повысить твердость высоколегированных сталей удастся, охлаждая их в воздушной среде.

Если закаливание металла происходит на воде, ее нужно подогреть до 40–60 градусов Цельсия. Холодная вода отскочит от горячей поверхности, образуется паровая рубашка. В результате охлаждение будет происходить медленнее.

Ступенчатое закаливание стали

Время закалки металла со сложным составом увеличивается, поскольку процедура осуществляется в несколько этапов. Чтобы ускорить охлаждение заготовок больших размеров из высоколегированных сталей, необходимо окунать их в воду на несколько минут. Затем закаливание следует продолжить в масле.

В воде поверхность заготовки мгновенно охлаждается. Затем металл опускают в масло, где деталь остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320 градусов Цельсия.

Нельзя закаливать крупные заготовки только в масле, поскольку в этом случае температура изнутри будет замедлять остывание, а значит, металл получится недостаточно твердым.

Изотермическое закаливание стали

Если имеется необходимое оборудование для закалки металла, выполнить эту процедуру получится, даже если сталь высокоуглеродистая. Однако этот процесс будет протекать сложно, в частности, когда изделия из инструментальной стали, к примеру топоры, пружины, зубила.

Из-за быстрого охлаждения в стали образуется напряжение. Высокотемпературный отпуск уменьшает твердость детали.

Последовательность закалки металла следующая:

Проводят нормализацию, чтобы улучшить структуру.
Нагревают металл до необходимой температуры.
Сталь опускают в емкость с селитрой, которая нагрета до 300–350 градусов Цельсия. В такой ванне заготовку выдерживают некоторое время.

По завершении данной процедуры нет необходимости в отпуске металла. При медленном остывании получается снять напряжение.

Светлое закаливание стали

Технический термин «светлая закалка» не применяется. При закаливании легированных сталей, в том числе их нагрев, в вакуумной среде, в инертных газах потемнение металла не происходит.

Закаливание в среде защитных газов – достаточно затратное мероприятие, необходимо использовать специальное оборудование отдельно для каждого типа деталей. Светлая закалка подходит лишь при массовом производстве продукции одного типа.

Заготовку нагревают в вертикальной печи, затем она проходит через индуктор, далее ее опускают в соляную либо селитровую ванну. Важно, чтобы оборудование было герметично. По завершении каждого цикла из него откачивают воздух.

Закаливание с самоотпуском

Если охлаждение происходит быстро, внутри заготовки сохраняется тепло. Оно постепенно выходит и отпускает металл, напряжение снимается.

Проводить данную процедуру должны опытные профессионалы, разбирающиеся в том, как сильно можно уменьшить время пребывания заготовки в охлаждающей жидкости.

Если вы осуществляете закалку металла в домашних условиях, самоотпуск делают, когда необходимо обработать крепежные элементы и небольшие детали, чтобы придать им большую твердость. Следует расположить их на теплоизолирующем материале, а затем укрыть асбестом.

Закалка стали с полиморфным превращением

Если сталь углеродистая, когда повышается температура выше установленной границы, начинаются фазовые превращения, которые изменяют кристаллическую решетку.

Когда температура достигает максимальной отметки (зависит от процентного содержания углерода), начинается распад карбида железа, образуется раствор углерода в железе, он носит название «аустенит».

Если остывание происходит медленно, начинается распад аустенита. В результате кристаллическая решетка возвращается в первоначальное состояние.

Когда охлаждение углеродистых сталей происходит слишком быстро, в зависимости от режима закаливания, в заготовках образуются различные фазовые состояния. Максимальной прочностью из них обладает мартенсит.

Чтобы получить мартенситную структуру, доэвтектоидные стали (до 0,8 % C) нужно нагреть до температуры выше точки Ас3 на 30-50 °C, для заэвтектоидных – на 30-50 °С выше Ас1.

Такой вид закалки металла подходит для инструмента для резки металла, а также чтобы сделать трущиеся в процессе эксплуатации детали более прочными, к примеру шестерни, валы, обоймы, втулки.

Если осуществляется нагрев до низких температур, в структуре доэвтектоидных сталей месте с мартенситом происходит сохранение мягкого феррита. Он делает сталь мягче, ухудшает эксплуатационные параметры после отпуска.

Данный вид закаливания считается неполным, детали получатся бракованные. Однако эта технология подходит для тех ситуаций, когда необходимо исключить образование трещин.

Закалка стали без полиморфного превращения

Закалка металла без полиморфного превращения подходит для цветных металлов и сплавов, которые имеют ограниченную растворимость вторичных фаз при стандартных температурах. В них при повышенном температурном режиме выше линии солидуса (линия, ниже которой находится твердая фаза) происходит полное растворение вторичных фаз.

Если охлаждение осуществляется резко, не происходит выделение вторичных фаз. Дело в том, что для протекания этой операции нужно некоторое время.

По завершении термической обработки цветной сплав будет термодинамически неустойчивым. С течением времени начнется его распад с выделением вторичной фазы.

Данный процесс распада, который осуществляется в естественных условиях, носит название естественного старения либо искусственного старения (при нагреве).

В результате получается равновесная структура. В зависимости от режима процесса меняются параметры металла.

Закаливание цветных металлов зачастую не делает их более прочными в отличие от углеродистых сталей. Медные сплавы после термической обработки получают нужную пластичность.

Для подобных металлов применяют отпуск, такая технология позволяет снять напряжение после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Закалка цветных металлов

Специфика закаливания алюминия

Достаточно редко требуется самостоятельная закалка алюминиевых изделий. Дело в том, что продукция из литейных и деформируемых сплавов уже прошла необходимую термическую обработку, во время использования изделия остаются твердыми и жесткими.

В каких случаях может потребоваться в домашних условиях закалить алюминий? К примеру, если вы сварили детали из алюминиевых сплавов и изделие потеряло жесткость в области прилегания к сварному шву.

Однако самостоятельно провести данную процедуру проблематично. Необходимо знать тип сплава, выдержать термические параметры с высокой точностью ±5 °C.

Охлаждение также нужно выполнить правильно, для этого необходимо иметь опыт проведения подобных работ. Если нарушить технологию, деталь поведет.

В случае необходимости, когда вам нужно применить данный вид термической обработки самостоятельно, прежде всего потребуется специальная печь для закалки металла с высокоточным регулятором. Кроме того, необходимо понимать, что вы будете вынуждены проводить закалку по очереди для каждого образца, чтобы подобрать подходящие параметры термической обработки.

Специфика закаливания меди

Термическая обработка меди и стали в корне отличается. Если нагреть медь до красного каления, когда температура превышает 600 градусов Цельсия, а затем быстро охладить в водной среде, произойдет ее отпускание. В результате заготовка станет мягкой.

Выполнить процедуру закаливания меди самостоятельно труднее, чем отпустить. Придется нагреть ее до 400 градусов Цельсия, чтобы не произошло красное каление. Когда заготовка будет нагрета до требуемой температуры, металл нужно остудить в воздухе. Только тогда деталь станет твердой, как после нагартовки.

В случае, когда у вас есть термопечь для закалки металла и вы планируете закалить медные заготовки дома, необходимо приобрести пирометр, чтобы вы могли отслеживать температуру нагрева.

Отпуск и старение металла после закалки

Процедуру закаливания стали проводят для того, чтобы сделать ее более твердой. Однако хрупкость заготовки также увеличивается. Из-за этой особенности следует осуществлять отпуск металла, когда происходит небольшое снижение прочности и твердости заготовки, при этом материал обретает нужную пластичность. Отпуск выполняют при более низкой температуре, при этом охлаждение происходит медленно.

Закаливать металл можно, не меняя его структуру, то есть без полиморфного превращения. Тогда заготовка не станет хрупкой. Однако деталь не обретет нужную твердость. Чтобы сделать металл твердым, необходимо осуществить термическую обработку. Этот процесс называется «старение». Во время этой процедуры распадается пересыщенный твердый раствор, заготовка становится более твердой и прочной.

Отпуск металла является одним из видов термической обработки, подходящей для заготовок, которые были закалены до критической точки, и произошло полиморфное изменение кристаллической решетки.

Во время отпуска заготовка выдерживается в течение некоторого времени в нагретом состоянии, затем ее постепенно охлаждают на воздухе.

Отпуск необходим, чтобы устранить внутреннее напряжение, снизить хрупкость заготовки, сделав ее более пластичной.

Старение позволяет достичь требуемой твердости металла. Старение подразделяется на несколько видов:

Естественное, в этом случае прочность металла после закалки увеличивается самостоятельно, снижается пластичность. Естественное старение происходит тогда, когда металл выдерживают в естественной среде.
Термическое старение. В этом случае заготовка становится более твердой за счет того, что ее выдерживают при высокой температуре. Однако при проведении такой обработки может случиться перестаривание. Тогда твердость, прочность и текучесть металла достигают своего максимума и постепенно снижаются.
Деформационное старение. Для его осуществления проводят пластическую деформацию металла после его закалки. Структура заготовки – пересыщенный твердый раствор.

Проверка качества закалки стали в домашних условиях

Как понять, что у вас получилось самостоятельно провести закалку детали и она стала достаточно твердой? Существует несколько методик, первая из них традиционная. Для этого нужно поцарапать металл неалмазным надфилем, его твердость составляет 55÷60 HRC.

Заметили, что на металле образовались борозды? Это указывает на то, что закалить сталь и сделать ее тверже не получилось. Когда надфиль скользит по металлу, значит, закалка прошла успешно.

Следующая технология проверки закаливания металла в домашних условиях заключается в том, что вы царапаете закаленной сталью по стеклянной бутылке. Также самостоятельно у вас получится проверить не только твердость стали, но и структуру металла. Потребуется закалить несколько образцов одинакового металла в разных режимах. После этого можно осмотреть заготовки, чтобы сравнить структуру и размер зерна.

Закалка металла используется в течение многих столетий, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики стали.

Термическая обработка, при которой металл нагревается, а затем охлаждается в определенной среде, позволяет сделать сталь твердой и прочной. Необходимо выбирать температурный режим в зависимости от состава сплава, а также механических параметров, которые необходимо достичь.

Если неправильно выбрать режим закаливания стали, металла станет хрупким либо его верхний слой получится слишком мягким. Важно разбираться в различных способах и технологии закалки стали, чтобы не совершить ошибку и не испортить заготовку.

Таблица закалки и отпуска сталей

Металл закаляют посредством сильного нагрева и резкого охлаждения. При этом температура нагрева металлического изделия должна быть критической и быть на уровне температуры, необходимой для изменения структуры кристаллической решетки. Охлаждают раскаленный металл, опустив его в воду, специальный раствор или масло.

Типы термической обработки

Термическая обработка, а именно так еще называют этот процесс, бывает нескольких типов: обработка с полиморфным обращением и без него. Первый тип термообработки используется преимущественно для некоторых сплавов и цветных металлов, а второй –для стальных изделий.

В процессе термообработки металлическое изделие приобретает улучшенные показатели твердости, а его начальная пластичность существенно снижается. Также снижается и вязкость материала. Уменьшение будет еще большим, если воспроизводить цикл неоднократно. Уменьшить показатели хрупкости, и немного улучшить вязкость позволяет процесс так называемого «отпуска». Он влияет на уменьшение приобретенной прочности, но показатели уменьшения будут незначительны. При отпуске металлов без полиморфного обращения (сплавы и цветные металлы) применяют процесс, который называется «старение».

Виды закалки

Закалка бывает как полной, так и неполной. При полной закалке происходят значительные изменения структуры материала и кристаллической решетки. Неполная закалка зачастую применяется к различным видам изделий из инструментальной стали.

Также бывают изделия, которые потребуют лишь частичной закалки. То есть, когда необходимо закалить не весь металл, а незначительную часть, например, режущую кромку (так закаливают мечи, различные резцы для станков, сверла и многое другое). На таком металле отчетливо наблюдается граница.

Технология закалки

Технология термозакалки предполагает собой резкое охлаждение, способное снизить температуру изделия до 600 – 410°С. Время, необходимое для достаточного разогрева металлического изделия, напрямую зависит от применяемого нагревательного устройства. При разогреве материала в мощной электропечи необходимо 1 – 2 минуты на термообработку 1 мм. При таком же процессе в печи с открытым пламенем достаточно и одной минуты, а при нагреве в ванне с раствором соли – около полуминуты. Самые минимальные затраты времени при закаливании с использованием ванны со свинцовым раствором, в которой достаточно и 6 секунд.

Когда раскаленный металл погружается в жидкость для закалки, происходит образование пленочного пара, который приводит к существенному снижению темпов остывания. Температура в пленочном паре существенно возрастает, а когда он разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности раскаленного металла и резко охлаждать его. Такой процесс называют кипением пузырьков.

При остывании металла жидкость перестает кипеть, а потому и сам процесс остывания существенно замедляется. В это время в металлическом изделии происходит процесс конвективного обмена теплом.

Читайте также: