Структура стали после закалки: виды и технологии термообработки

О чем идет речь? Некоторые марки стали не требуют особой прочности, так как применяются в условиях, где достаточно стандартных показателей. Однако для конструкционных и инструментальных категорий этого недостаточно. Для увеличения прочности их подвергают термообработке. Структура стали после закалки (основного вида такого процесса) изменяется в лучшую сторону.

Как происходит? Есть несколько видов закалки. В зависимости от использованной технологии получается тот результат, который требуется в определенных случаях применения материала. У данного вида термообработки есть не только преимущества, но и недостатки, поэтому при выборе метода, изменяющего структуру стали, нужно понимать, каким образом происходит эта обработка.

Смысл изменения структуры стали закалкой

Упрочнение металлов при помощи температуры относится к наиболее популярным способам, его начали использовать еще до нашей эры. Все последующие века методы закалки совершенствовались, а наибольший прогресс в данной сфере был достигнут в эпоху промышленной революции. Сегодня термической обработке подвергают 8–10 % всех выплавляемых типов стали. В области машиностроения данный показатель доходит до 40 %. Закалка является распространенным приемом, так как универсальна, при этом не требует значительных производственных затрат.

При любой разновидности закалки после нее происходят изменения структуры стали. Зерна приобретают упорядоченность, а их форма становится игольчатой либо реечной. Это приводит к повышению твердости материала, а значит, положительно влияет на его устойчивость к истиранию. Данное свойство играет ключевую роль при производстве таких изделий, как:

• подшипники любой конструкции и назначения;
• резцы, сверла, ножи, прочие режущие инструменты;
• детали машин и механизмов, которые трутся друг о друга в процессе эксплуатации.

Однако стоит учитывать, что после закалки структура стали и изделий из нее становится более хрупкой. Это вызывает более быстрое разрушение под действием сильных вибраций и ударных нагрузок. Избежать подобных проблем позволяют технологические приемы, благодаря которым удается минимизировать недостатки упрочняемых деталей и точно рассчитать будущие свойства стали.

Процесс закалки стали

Поскольку процесс является незамысловатым, сложно сразу заметить серьезные перемены в металле. Изделие нагревают, после чего погружают в холодную воду либо другую охлаждающую среду, которая закипает, и сталь приобретает повышенную прочность.

Именно поэтому много веков назад люди, случайно открыв некоторые способы металлообработки, приравнивали их к магии. Они верили, что это сила человека переходит к оружию, не подозревая о формировании мартенсита в структуре стали после закалки и отпуска.

С научной точки зрения, описание данного процесса является более сложным. Любая сталь – это твердый раствор углерода в основной структуре α-железа. От марки металла зависит доля углерода: так, в Ст 65 присутствует 0,65 % данного элемента, в У13 – около 1,3 %, пр.

Поскольку химическая активность углерода достаточно высока, во время выплавки при температуре +1 600–2 000 °C он связывается железом. Так формируется цементит Fe3C. Остальная часть металла является ферритом, который обладает высокой степенью мягкости. Благодаря значительной доле феррита малоуглеродистые типы стали пластичны даже без нагрева. Данное правило не распространяется на следующие разновидности стали:

• легированные, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 4543;
• подшипниковые, производимые по ГОСТ 801;
• рессорно-пружинные, при изготовлении которых учитывают ГОСТ 2052 и ГОСТ 14959;
• все типы инструментальных легированных и нелегированных.

Как меняется структура стали после закалки

Определить эффективность закалки можно, оценив структуру металла после выплавки и горячей прокатки необходимого профиля, то есть изготовления полосы, прутка либо специальных изделий типа уголка, швеллера, пр.

Сталь (вне зависимости от вида) имеет кристаллическую структуру, состоящую из бесконечного множества кристаллов. Когда ее льют и охлаждают, кристаллические частицы приобретают форму зерен или многогранных образований. Данный процесс сопровождается активным насыщением кислородом, поэтому между соседними кристалликами появляются пустоты. При остывании металла их наполняет сера, фосфор, другие легкоплавкие неметаллические включения.

В результате страдает пластичность стали, так как фосфор и сера обладают высокой хрупкостью. А также образуются достаточно грубые скопления зерен, из-за чего сталь лишается равномерной плотности. При последующей обработке слиток металла просто расколется.

Чтобы не допустить такого эффекта, после выплавки приступают к прокатке. Она позволяет избавиться от исходных дефектов, сделать структуру более однородной, повысить плотность, удалить трещины с поверхности металла.

Однако пластическая деформация может исправить лишь макроструктуру. Чтобы изменить микроструктуру, требуется закалка, то есть набор технологических методов термической обработки, благодаря использованию которых повышается прочность стали. Закалка призвана перенести в нормальные условия эксплуатации те свойства микроструктуры изделий, которые проявляются при высокой температуре.

Химический состав стали сохраняется, при этом значительно повышаются:

1. предел временного сопротивления Qв (измеряется в МПа);
2. предел текучести Qт (измеряется в МПа);
3. предел усталости Qи (измеряется в МПа);
4. твердость по Бринеллю HB или Роквеллу НRC.

Что формирует структуру стали во время закалки

В формировании набора характеристик металла во время термической обработки ключевую роль играют равновесные (аустенит и перлит), а также неравновесные (мартенсит, сорбит, троостит, остаточный аустенит) структуры. Остановимся на каждой из них более подробно:

• Аустенит (А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе.
• Мартенсит (М) является пересыщенным твердым раствором углерода в α-железе, имеет аналогичную концентрацию, что и исходный аустенита. Мартенсит характеризуется твердостью, хрупкостью, напряженностью, неустойчивостью. Его прочность повышается пропорционально доле углерода. Так, для С 0,1 % HRC30; C 0,7 % HRC65. Мартенсит выделяется на фоне прочих структур максимальным удельным объемом, который зависит от количества углерода. Предельный объем содержится в эвтектоидной стали. Повышение удельной величины приводит к более значительным внутренним напряжениям, которые иногда чреваты деформацией или разрушением детали.
• Перлит (П) является эвтектоидной смесью феррита (Ф) и цементита (Ц). Имеет неизменную долю углерода в 0,8 %.
• Сорбит (С), троостит (Т) являются квазиэвтектоидными (quassi переводится как «подобный») смесями феррита и цементита. В них количество углерода больше или меньше 0,8 %. Главным отличием между сорбитом, трооститом и перлитом считается степень дисперсности цементитных частиц. Минимальной дисперсностью обладает троостит, у сорбита она средняя, тогда как перлит крупнодисперсный.

Технологии закалки стали для улучшения структуры

Нередко выполняется закалка продукции из качественных конструкционных типов стали с долей углерода свыше 0,4 %. Для конструкционных легированных видов аналогичная процедура является обязательной, поскольку к их прочности предъявляются наиболее высокие требования.

Режим закалки выбирают с учетом последующего использования изделия. Чаще всего прибегают к таким технологиям:

1. Термообработка малоуглеродистых конструкционных типов стальных сплавов с содержанием углерода до 0,2 %. Здесь важно обеспечить твердую поверхность и достаточно вязкую сердцевину изделия. Чтобы придать стали такую структуру после закалки, в первую очередь проводят цементацию, то есть насыщают поверхность металла углеродом. Только после этого переходят к термической обработке.
2. Термообработка среднеуглеродистых видов стальных сплавов, где доля углерода находится на уровне 0,3–0,6 %. Метод задействуют при изготовлении ответственных машиностроительных элементов, имеющих сложную форму и функционирующих при знакопеременных нагрузках. После закалки обязательно проводится нормализация.
3. Химико-термическая обработка относительно высоколегированных типов стали. Глубинные слои металла могут сохранять вязкость. Чаще всего прибегают к цианированию, нитридированию, сульфурированию, которые выполняются после закалки.

Конструкционные виды стальных сплавов считаются доэвтектоидными, то есть имеют долю углерода до 0,8 %. Какая получается структура стали после закалки? Она определяется условиями нагрева и может включать в себя:

• Феррит и перлит, если использовалась температура не более +723 °C. Перлит является механической смесью феррита и цементита с добавлением карбидов легирующих элементов.
• Смесь феррита с аустенитом при нагреве до +850–900 °C. В таком случае область устойчивого существования структуры связана с долей углерода. Она плавно снижается от +950–723 °С до 0 °C.
• Аустенит, если используется более низкая температура.

Наглядно представить структурные изменения в конструкционных стальных сплавах во время нагрева позволяет диаграмма «железо – углерод». С ее помощью выбирают режимы закалки и отпуска. Нередко можно встретить чертеж, дополненный фотографиями структурных составляющих.

Подавляющему числу типов стали после закалки свойственна структура мартенсита с остаточным аустенитом. Доля последнего определяется количеством углерода, объемом и составом легирующих компонентов. В конструкционных видах стальных сплавов среднего легирования присутствует 3–5 %. остаточного аустенита, в инструментальных – до 20–30 %.

Виды и условия закалки стали, влияющие на структуру

Структура и характеристики закаленной стали формируются в соответствии с выбранным методом обработки. На данный момент существует множество технологических приемов и видов закалки:

1. Полная закалка. После нее структура стали меняется по всему объему изделия.
2. Поверхностная. Вызывает увеличение степени твердости на определенную глубину.
3. Ступенчатая. Воздействует на твердость слоями – их толщина может быть произвольной либо заданной.
4. Зонная. Ограничивает толщину и площадь обрабатываемого слоя.
5. Прерывистая. Протекает в двух и более средах.
6. Изотермическая. Предполагает примерную температуру охлаждающей среды в +200 °C.

При любом режиме закалки металл после нагревания на некоторое время помещают в охлаждающую среду. При помощи изменения температуры, времени, способов нагрева, использования разных сред для охлаждения определенным образом воздействуют на структуру материала.

Для нагрева изделия могут использоваться различные приемы, которые определяются особенностями технологии обработки и доступным оборудованием. Нагревание выполняется:

• открытым или направленным пламенем;
• электричеством – так называемый контактный нагрев;
• бесконтактно, посредством тока высокой частоты.

Выбранный подход влияет на результат и структуру стали после закалки. А значит, оказывается особенно важным уровень технологического оснащения мастерской.

В процессе закалки принимают во внимание марку и свойства стали, после чего доводят ее до нагрева, превышающего температуру фазовых превращений. Для этого могут задействоваться такие печи:

• Шахтные – имеют высокую производительность, необходимы для работы с крупногабаритными изделиями. Однако такие печи являются стационарными и имеют значительные размеры, поэтому обычно не подходят для небольших предприятий.
• Камерные – используются на производстве чаще всего, поскольку позволяют применять различные методы обработки металла, если речь идет о мелких деталях и изделиях среднего размера. Печи этого типа можно перемещать.
• Вакуумные – могут иметь воздушную, азотистую, гелиевую среду. Оборудование является сложным, зато позволяет точно контролировать нагрев металла. Погрешность не превышает 5 °C.
• Водородные – обеспечивают быстрый и равномерный нагрев в сочетании с высокой степенью автоматизации. Печи этого типа являются дорогостоящими и способны окупиться только при массовом производстве изделий.

Технология электрозакалки – не дает возможности работать с заготовками сложной формы, но прекрасно справляется с изменением структуры листовой стали после закалки и других видов сортового проката. Чтобы поднять температуру металла, напряжение подают на валки прокатных станов.

Закалка токами высокой частоты – предполагает применение специального индукционного оборудования. Используемая техника имеет небольшие размеры и способна быстро нагревать металл. В результате временные затраты на обработку стали значительно сокращаются, что позволяет повысить производительность.

Обработка стали невозможна без емкостей для охлаждающих сред. Конструктивные особенности резервуаров определяются в соответствии с требованиями применяемой технологии. Охлаждающие среды имеют разный состав и могут быть жидкими и газообразными. Отслеживать эффективность воздействия на металл удается благодаря специальному оборудованию: оно позволяет убедиться в твердости стальных сплавов посредством методов Бринелля, Роквелла, упругой отдачи, динамического выдавливания.

Важно, чтобы охлаждение протекало со скоростью, при которой невозможен распад аустенита на феррит и карбид железа. Данный процесс запускается при температуре ниже +650 °C. Последующее охлаждение выполняют медленнее, чтобы уменьшить внутренние напряжения металла.

При быстром полном остужении в холодной воде формируется мартенсит – у него самая высокая твердость, однако он хрупкий. Активное снижение температуры на 200–300 °C вызывает остановку распада аустенита, а дальнейшее более медленное охлаждение после закалки позволяет сформировать в стали структуры с меньшей твердостью, при этом очень прочные и стойкие к износу. Необходимую скорость охлаждения обеспечивают за счет грамотного выбора состава и температуры закалочной среды.