Температура закалки стали: какой должна быть

О чем идет речь? Температура закалки стали влияет на ее свойства: пластичность, хрупкость, устойчивость к нагрузкам. Неправильный нагрев может привести к тому, что, например, кромка ножа будет быстро тупиться, а головка молотка треснет при нанесении удара.

На что обратить внимание? Выбор правильной температуры закалки стали позволит получить сплав с требуемыми параметрами и снизить вероятность появления дефектов после начала эксплуатации изделия.

Основные параметры закалки металла

Еще в далекой древности кузнецам было известно, что, нагревая металл, можно добиться изменения его свойств и структуры. То есть практическое применение нагрева и охлаждения стали началось задолго до того, как использование технологий термической обработки для улучшения механических характеристик, существенного увеличения срока службы и даже снижения массы готовых изделий за счет увеличения прочности материала получило научное обоснование. Закаливая относительно дешевые стальные сплавы, можно добиваться требуемых характеристик, а значит, значительной экономии при замене ими более дорогих типов в различных ответственных деталях механизмов и конструкций.

Процесс закалки заготовок из того или иного стального сплава в общих чертах состоит из их нагревания до заданной температуры с последующим охлаждением, режим которого также может быть разным в зависимости от химического состава материала и требуемых характеристик готового изделия. Главная цель, которую преследует такая термическая обработка, – сделать металл более твердым и прочным. Процесс сопровождается снижением пластичности.

В зависимости от того, каким должен быть конечный результат при закалке и последующем отпуске, необходимо в каждом конкретном случае подбирать соответствующие режимы – температуру, скорость и время нагрева, выдержки и охлаждения.

Температура закалки стали, приводящая к перестройке кристаллической решетки металла на атомарном уровне, – наиболее важный параметр, который строго контролируется оператором в ходе термической обработки заготовок. Различные стальные сплавы, содержащие углерод, легирующие добавки и примеси в разных концентрациях, требуют индивидуального подбора режима закаливания.

Закалка металла заготовок приводит к повышению твердости и хрупкости стального сплава, а верхние слои материала, теряющие большую часть углерода, покрываются слоем окалины, толщина которого обязательно учитывается при расчете припуска на последующую механическую обработку деталей.

Если в ходе закаливания стальных заготовок не была обеспечена необходимая скорость охлаждения, может произойти переход кристаллической решетки к промежуточному состоянию. Охлаждать детали слишком быстро нельзя – это с большой вероятностью может вызвать растрескивание и деформацию материала. Для предотвращения подобных проблем необходимо замедлять снижение температуры ориентировочно после +200 °C.

Заготовки из углеродистых стальных сплавов проходят обработку в специальных камерных печах, которые разогреваются до +800 °C включительно. Отдельные типы стали требуют для закалки нагрева до критической температуры от +1 250 до +1 300 °C – для их термообработки используются печи других типов. Преимущество этих видов данного металла в том, что они не растрескиваются в ходе охлаждения.

Изделия, имеющие сложную конфигурацию с тонкими гранями и резкими переходами, требуют особо ответственного подхода к их термической обработке. Для профилактики растрескивания и коробления процесс нагрева материала разбивают на два этапа. Сначала стальной сплав прогревают до +500 °C, а затем температуру повышают до требуемых критических значений.

Виды закалки стали

Помимо уровня нагрева, особое внимание следует уделять его равномерности, которая также влияет на качество закалки стальных сплавов. Если речь идет о термической обработке массивных или имеющих сложную геометрию деталей, равномерный нагрев можно обеспечить, только разбив процесс на шаги. Для распределения температуры по всей толще изделие следует нагревать в два этапа, на каждом выдерживая заданное время. При одновременной работе сразу с несколькими заготовками это приводит к увеличению суммарного времени выдержки в специальной печи.

Различают следующие виды закалки стальных заготовок:

Ступенчатая закалка

Небольшие стальные заготовки в отдельных случаях подвергаются закалке с применением ступенчатого метода. Предварительно нагретые изделия в ходе такой обработки погружают в ванны с щелочным расплавом, разогретым до температуры от +3 500 до 4 000 °C, и выдерживают там в течение времени, требуемого для того, чтобы равномерно прогрелась сердцевина деталей. Для охлаждения легированных стальных сплавов используют масло, а нелегированных – воду. Данный способ позволяет достичь заданной твердости при минимальном риске растрескивания и формирования зон внутреннего напряжения.

Изотермическая закалка

Технология сходна с предыдущей, однако заготовки выдерживают в щелочном расплаве до полного снятия внутреннего напряжения металла. После такой термической обработки детали не нуждаются в отпуске. Изотермическую закалку применяют для предотвращения растрескивания и деформирования изделий, имеющих сложную геометрию.

Закалка с использованием одного охладителя

Такой несложной термической обработке, как правило, подвергают углеродистые и/или легированные стальные сплавы. Чаще всего речь идет о довольно «простых» ножевых типах стали, которые не нуждаются в применении более сложных технологий.

Прерывистая закалка с использованием двух закалочных сред

Технология прерывистой закалки в двух средах применяется для термообработки стальных сплавов с высоким содержанием углерода. Сначала заготовки быстро охлаждают в воде, а затем подвергают медленному охлаждению маслом.

Струйчатая закалка

Данный метод обычно применяют для частичной или зонной закалки деталей с использованием установок нагрева высокочастотными токами в индукционных печах. Для охлаждения металла заготовок после извлечения из камеры на заданные зоны изделий подается мощная струя воды.

Проблема образования окалины и обезуглероживания при закалке

Зачастую закалке требуется подвергнуть детали, прошедшие финишную обработку. При их нагревании необходимо исключить обезуглероживание металла и формирование окалины на поверхности изделия. Для предотвращения подобных нежелательных явлений были разработаны специальные методы закаливания стальных сплавов, наиболее продвинутые из которых предусматривают использование защитной среды из газа. Такая технология требует использования особых нагревательных печей с полностью герметичной камерой.

Существуют и более простые технологии, которые позволяют предотвратить выгорание углерода из поверхностных слоев металла. Например, для этого используют чугунную стружку и отработанный карбюризатор. Их засыпают в специальные емкости и защищают разогретый металл обрабатываемых деталей. Чтобы в камеру во время нагревания стальных заготовок не проникал окружающий воздух, кислород которого при контакте вызывает окисление поверхностных слоев стального сплава, ее герметизируют, тщательно обмазывая глиной.

Если технологический процесс предусматривает охлаждение соляным раствором, то во избежание обезуглероживания и формирования оксидной пленки на поверхностных слоях металла соляные ванны подлежат регулярному раскислению, которое необходимо производить как минимум дважды за смену. С этой целью в емкости с жидкой средой добавляют борную кислоту или бурую соль. Также применяется древесный уголь, помещенный в специальные стаканы с крышкой с множественными отверстиями в стенках. В момент погружения контейнеров в жидкость следует соблюдать повышенную осторожность из-за вспыхивающего на короткое время и затем затухающего пламени.

Охлаждение стали при закалке

Большинство используемых при закалке охлаждающих жидких сред изготавливается на водной основе. Для этих целей применяют слегка подогретую (ориентировочно до + 30 °C) воду, которая не содержит примесей, способных повлиять на темпы охлаждения заготовок (различные соли или моющие средства). Важно следить за тем, чтобы емкости для H2O использовались исключительно по прямому назначению. Проточная вода не подходит в качестве охладителя в силу ее недостаточной химической чистоты.

Если использовать в качестве охлаждающей жидкости обычную воду, можно столкнуться с рядом нежелательных последствий, главное из которых заключается в растрескивании и деформации заготовок. Однако такой метод нередко используют при цементации металла, поверхностной закалке или термообработке изделий с простой геометрией, подлежащих впоследствии чистовой механической обработке.

Если закалке подвергаются изделия сложной конфигурации из конструкционной стали, в качестве охладителя используют разогретый до +60 °C раствор гидроксида натрия. Охлаждение в такой среде придает закаленному металлу светлый оттенок.

Каустическая сода – крайне агрессивное химическое соединение. Любые работы, в которых используется раствор щелока, должны производиться с соблюдением правил техники безопасности. Для удаления вредных паров, образующихся при опускании в жидкость раскаленных металлических заготовок, обязательно наличие вытяжки, размещенной непосредственно над емкостью с охладителем, и применение соответствующих средств индивидуальной защиты.

Если изделия, подлежащие закалке, имеют тонкие стенки и изготовлены из углеродистого или легированного стального сплава, оптимально использовать минеральные масла, обеспечивающие изотермический режим охлаждения. Важно проследить, чтобы в охладитель не попала вода, которая может вызвать растрескивание металла. Для удаления уже попавшей влаги охлаждающую жидкость необходимо прогреть до температуры, превышающей температуру кипения воды.

При закалке металлических деталей в минеральных маслах необходимо соблюдать соответствующие правила безопасности:

• для погружения заготовок в масло необходимо пользоваться клещами с длинными ручками;
• следует использовать специальную маску из закаленного стекла и перчатки из толстой огнеупорной ткани или грубой кожи;
• работники должны быть одеты в специальную защитную одежду, надежно прикрывающую плечи, шею и грудь.

Для воздушного охлаждения, которое применяется при закалке некоторых стальных сплавов, используются специальные компрессоры. Воздух, которым охлаждается нагретый металл, должен быть полностью избавлен от влаги, вызывающей образование поверхностных трещин.

Углеродистые стальные сплавы со сложным химическим составом требуют использования при закалке комбинированного охлаждения – заготовки, предварительно охлажденные до +200 °C в воде, затем быстро погружаются в масляную ванну.

Определенная закаливаемость, присущая каждому стальному сплаву, выражается в способности приобретать необходимую твердость в ходе термической обработки. На эту характеристику влияют углеродистость стали и концентрация легирующих элементов. Минимальное содержание углерода, требуемое для того, чтобы металл воспринимал закалку, равно 0,2 %. 

Прокаливаемостью принято называть глубину проникновения мартенситной или троостито-мартенситной структуры в толщу стали. Улучшить обе указанные характеристики можно, добавляя в состав сплава молибден, хром, никель и т. п. Присутствие кобальта в сплаве ведет к их понижению.