Вы когда-нибудь задумывались, как можно сделать сталь одновременно невероятно прочной и гибкой? Эта статья откроет вам увлекательный мир закалки - важнейшего процесса термической обработки в машиностроении. Вы узнаете о различных методах закалки и их уникальных применениях, что позволит вам глубже понять, как создаются повседневные инструменты и машины для оптимальной работы.
Закалка - это критический процесс термической обработки, широко используемый в металлургии и материаловедении для улучшения механических свойств металлов и сплавов. Применительно к стали закалка включает в себя точно контролируемый термический цикл:
Основной целью закалки сталей является образование мартенсита - перенасыщенного твердого раствора углерода в железе с тетрагонально-центрированной кристаллической структурой (ТЦТ). Это приводит к значительному увеличению твердости и прочности. В некоторых случаях закалка может быть направлена на образование бейнита путем изотермической обработки вблизи температуры начала мартенсита (Ms).
Важно отметить, что закалка не ограничивается черными сплавами. Этот термин также охватывает процессы термообработки других материалов:
Конкретные параметры закалки, включая температуру нагрева, время выдержки, скорость охлаждения и выбор закаливающего вещества, тщательно подбираются в зависимости от состава материала и желаемых конечных свойств. В современных процессах закалки часто используются системы с компьютерным управлением и передовые закалочные вещества для оптимизации характеристик и минимизации деформаций.
Закалка - это метод термической обработки, при котором сталь нагревается выше критической температуры, выдерживается в течение определенного времени, а затем охлаждается со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, для получения преимущественно мартенситной неравновесной структуры (хотя при необходимости может быть получен бейнит или однофазный аустенит).
Закалка является наиболее широко применяемым методом в процессах термической обработки стали.
Существует четыре основных процесса термической обработки стали: отжигнормализация, закалка и отпуск.
Отжиг
Для этого необходимо нагреть заготовку до соответствующей температуры, выдержать ее в течение времени, зависящего от материала и размера заготовки, а затем медленно охладить (самая медленная скорость охлаждения). Цель - привести внутреннюю структуру металла к равновесию или близкому к нему, добиться хороших технологических и эксплуатационных характеристик или подготовить структуру к дальнейшей закалке.
Нормализация
После нагрева заготовки до нужной температуры она охлаждается на воздухе. Эффект нормализации похож на отжигНо при этом получается более тонкая структура. Она обычно используется для улучшения характеристик резания материалов, а иногда применяется в качестве окончательной термообработки для деталей с менее жесткими требованиями.
Отпуск
Чтобы уменьшить хрупкость стальных изделий, закаленные детали выдерживают при температуре выше комнатной, но ниже 710℃ в течение длительного периода времени перед охлаждением. Этот процесс называется закалкой.
Закаливание
Это процесс термической обработки, который включает в себя нагрев заготовки для ее аустенизации, а затем охлаждение соответствующим образом для получения мартенситной или бейнитной структуры. К распространенным методам относится закалка в воде, закалка маслом, и закаливание на воздухе.
Отжиг, нормализация, закалка и отпуск - это "четыре огня" в интегральной термической обработке. Закалка и отпуск тесно связаны, часто используются вместе, и оба незаменимы.
Существует десять методов закалки в процессе термообработки, к которым относятся:
При этом заготовка нагревается до температуры закалки, а затем быстро охлаждается путем погружения в закалочную среду. Это самый простой метод закалки, который обычно используется для простой фасонной углеродистой стали и легированная сталь заготовки. Выбор закалочной среды основывается на таких факторах, как коэффициент теплопередачи, закаливаемость, размер и форма деталей.
Рис. 1 Закалка в одной среде (вода, масло, воздух)
В процессе термообработки заготовка, нагретая до температуры закалки, быстро охлаждается до точки, близкой к началу мартенсита (MS), в сильной охлаждающей среде. Затем заготовка медленно охлаждается до комнатной температуры в более медленной охлаждающей среде, что создает диапазон различных температур закалки и идеальных скоростей охлаждения.
Этот метод используется для заготовок с сложные формы или крупных заготовок из высокоуглеродистой стали, легированной стали и углеродистой инструментальной стали. К распространенным средам охлаждения относятся вода-масло, вода-нитрат, вода-воздух и масло-воздух. Вода обычно используется в качестве быстродействующей охлаждающей среды, а масло или воздух - в качестве более медленной. Воздух используется реже.
Сталь аустенизируется, а затем погружается в жидкую среду (соляную или щелочную ванну) с температурой немного выше или ниже верхней мартенситной точки стали на определенное время. Затем сталь вынимают для охлаждения на воздухе, а недоохлажденная аустенит медленно превращается в мартенсит.
Этот метод обычно используется для небольших заготовок сложной формы с жесткими требованиями к деформации. Инструменты и штампы из быстрорежущей и высоколегированной стали также обычно закаливают этим методом.
Заготовка быстро охлаждается в ванне, когда температура ванны ниже точки начала мартенсита (MS) и выше точки окончания мартенсита (MF). Это приводит к тому же результату, что и использование ванны большего размера.
Этот метод обычно используется для заготовок из стали с низкой прокаливаемостью большого размера.
Заготовка закаливается в ванну с более низкой температурой бейнита для изотермической обработки, вызывающей образование более низкого бейнита. Этот процесс обычно выполняется путем выдерживания заготовки в ванне в течение 30-60 минут.
Изотермическая закалка бейнита состоит из трех этапов:
Этот метод обычно используется для изготовления небольших деталей из легированной и высокоуглеродистой стали, а также ковких чугунное литьё.
Мартенсит с объемной долей от 10% до 30% получают путем закалки заготовки ниже точки MS с последующей изотермической обработкой в области нижнего бейнита.
Этот метод обычно используется для заготовок из легированной инструментальной стали.
Этот метод закалки также называют ступенчатой аустемперизацией. Процесс предусматривает сначала охлаждение деталей в ванне с более низкой температурой (выше MS), а затем перенос их в ванну с более высокой температурой для изотермического превращения аустенит.
Этот метод подходит для стальных деталей с низкой прокаливаемостью или большими размерами, а также для заготовок, которые должны быть подвергнуты аустемперированию.
При изотермической закалке с предварительным охлаждением детали предварительно охлаждаются до температуры чуть выше Ar3 или Ar1 с помощью воздуха, горячей воды или соляной ванны. Затем выполняется закалка в одной среде.
Этот метод часто используется для деталей сложной формы, со значительной разницей в толщине и минимальными требованиями к деформации.
Процесс закалки и самозакаливания предполагает нагрев всех заготовок, но во время закалки в закалочную жидкость для охлаждения погружаются только закаливаемые детали (обычно рабочие).
Как только свечение не погруженных в воду деталей исчезает, процесс закалки немедленно снимается для воздушного охлаждения.
Этот метод позволяет передавать тепло от центра к поверхности для ее закалки и обычно используется для инструментов, которые должны выдерживать удары, таких как зубила, перфораторы, молотки и т.д.
Метод закалки, при котором вода распыляется на заготовку, можно регулировать по расходу воды в зависимости от желаемой глубины закалки. Струйная закалка позволяет избежать образования паровой пленки на поверхности заготовки, что приводит к образованию более глубокого закаленного слоя по сравнению с обычной закалкой. закаливание водой.
Этот метод в основном используется для локализованного поверхностного закаливания.
Основная цель закалки - вызвать фазовое превращение в стали, преобразуя переохлажденный аустенит в мартенсит или бейнит. В результате этого превращения формируется микроструктура, которая значительно улучшает механические свойства материала. Закалка с последующим контролируемым отпуском при определенных температурах позволяет точно регулировать свойства стали, включая повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и вязкости. Такая универсальность позволяет производителям удовлетворять разнообразные требования, предъявляемые к различным механическим компонентам и инструментам в различных отраслях промышленности.
Закалка - это критический процесс термообработки, который включает в себя нагрев металлической заготовки до определенной температуры аустенизации, выдержку в течение заданного времени для обеспечения полного фазового превращения, а затем быстрое охлаждение в закалочной среде. Выбор закалочной среды - например, рассола, воды, растворов полимеров, минеральных масел или даже принудительного воздуха - зависит от требуемой скорости охлаждения и конкретного состава сплава. Каждая среда обладает различными характеристиками охлаждения, что позволяет металлургам контролировать микроструктурную эволюцию и результирующие свойства.
Быстрое охлаждение при закалке создает пересыщенный твердый раствор, удерживающий атомы углерода в решетке железа и образующий метастабильную мартенситную фазу. Эта мартенситная структура характеризуется чрезвычайно высокой твердостью и износостойкостью, но может быть хрупкой. Последующие процессы отпуска часто используются для оптимизации баланса между прочностью, вязкостью и пластичностью, что позволяет приспособить свойства материала к конкретным требованиям.
Помимо улучшения механических свойств, закалка играет важную роль в развитии специфических физических и химических свойств специальных сталей. Например, она может значительно улучшить ферромагнитные свойства сталей с постоянными магнитами, повысить коррозионную стойкость нержавеющих сталей и изменить электрические свойства кремнистых сталей, используемых в сердечниках трансформаторов.
Процесс закалки особенно важен для сталей из-за их аллотропной природы и способности формировать различные микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения. Когда сталь нагревают выше критической температуры (обычно в диапазоне 723-912°C, в зависимости от состава), ее структура при комнатной температуре превращается в аустенит. Последующее быстрое охлаждение предотвращает диффузионно-зависимое образование феррита и перлита, вместо этого заставляя гранецентрированный кубический (FCC) аустенит превращаться в телецентрированный тетрагональный (BCT) мартенсит по механизму сдвига без диффузии.
Однако быстрое охлаждение, присущее закалке, создает значительные термические напряжения в заготовке. Эти напряжения, если ими не управлять должным образом, могут привести к деформации, короблению или даже растрескиванию детали. Чтобы снизить эти риски, металлурги применяют различные методы, такие как прерывистая закалка, выборочная закалка или использование специализированных закалочных составов с контролируемыми характеристиками охлаждения.
Процессы закалки можно разделить на две категории в зависимости от используемого метода охлаждения:
Выбор подходящего процесса и параметров закалки имеет решающее значение для достижения желаемой микроструктуры и свойств при минимизации риска возникновения дефектов, связанных с закалкой. Передовые методы закалки, такие как интенсивная закалка или криогенная обработка, продолжают развиваться, предлагая новые возможности для улучшения характеристик материалов в ответственных областях применения.
Процесс закалки включает три стадии: нагрев, выдержку и охлаждение. Здесь на примере закалки стали представлены принципы выбора параметров процесса для этих трех стадий.
Температура нагрева при закалке
Исходя из критической точки фазового превращения в стали, нагрев во время закалки направлен на формирование мелких и однородных аустенитных зерен с получением тонкой мартенситной структуры после закалки.
Диапазон температур нагрева при закалке для углеродистой стали показан на рисунке "Температура нагрева при закалке". Принцип выбора температуры закалки, показанный на этом рисунке, также применим к большинству легированных сталей, особенно низколегированных. Температура нагрева для гипоэвтектоидной стали на 30-50℃ выше температуры Ac3.
Китайский класс | Критическая точка /℃ | Температура закалки /℃ | |
Ael | Aes(Aсм) | ||
20 | 735 | 855 | 890~910 |
45 | 724 | 780 | 830~860 |
60 | 727 | 760 | 780~830 |
T8 | 730 | 750 | 760~800 |
T12 | 730 | 820 | 770~810 |
40Cr | 743 | 782 | 830~860 |
60Si2Mn | 755 | 810 | 860~880 |
9CrSi | 770 | 870 | 850~870 |
5CrNiMo | 710 | 760 | 830~860 |
3Cr2W8V | 810 | 1100 | 1070~1130 |
GCr15 | 745 | 900 | 820~850 |
Cr12MoV | 810 | / | 980~1150 |
W6Mo5Cr4V2 | 830 | / | 1225~1235 |
Из рисунка "Температура нагрева при закалке" видно, что состояние стали при высокой температуре находится в области однофазного аустенита (A), поэтому ее называют полной закалкой. Если температура нагрева гипоэвтектоидной стали выше, чем температура Ac1, и ниже, чем температура Ac3, то ранее существовавшие проэвтектоидный феррит не полностью превращается в аустенит при высокой температуре, что является неполной (или подкритической) закалкой. Температура закалки гиперэвтектоидной стали на 30-50℃ выше температуры Ac1, этот температурный диапазон находится в области двухфазного аустенита и цементита (A+C).
Поэтому обычная закалка гиперэвтектоидной стали все еще относится к неполной закалке, а структура, полученная после закалки, представляет собой мартенсит, распределенный по цементитной матрице. Эта структура обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для гиперэвтектоидной стали, если температура нагрева слишком высока, слишком большая часть проэвтектоидного цементита растворяется, даже полностью растворяется, затем зерна аустенита растут, и содержание углерода аустенита также увеличивается.
После закалки большая мартенситная структура увеличивает внутреннее напряжение в микрообластях закаленной стали, увеличивает количество микротрещин и повышает склонность детали к деформации и растрескиванию. Поскольку концентрация углерода в аустените высока, мартенситная точка падает, количество сохранившегося аустенита увеличивается, а твердость и износостойкость детали снижаются. Температура закалки широко используемых сталей показана на рисунке "Температура нагрева при закалке", а в таблице приведена температура нагрева при закалке широко используемых сталей.
В реальном производстве выбор температуры нагрева необходимо корректировать в зависимости от конкретных условий. Например, когда содержание углерода в гипоэвтектоидной стали находится на нижнем пределе, когда загрузка печи велика и когда необходимо увеличить глубину закалочного слоя детали, можно выбрать верхний предел температуры; если форма заготовки сложная, а требования к деформации жесткие, следует выбрать нижний предел температуры.
Закалка
Время выдержки при закалке определяется различными факторами, такими как режим нагрева оборудования, размер детали, состав стали, количество шихты в печи и мощность оборудования. При сквозной закалке цель выдержки заключается в равномерном сближении внутренней температуры заготовки.
Для всех видов закалки время выдержки в конечном итоге зависит от получения хорошей закалочной структуры нагрева в требуемой зоне закалки. Нагрев и выдержка - важные этапы, которые влияют на качество закалки. Состояние структуры, полученной при аустенитизации, напрямую влияет на характеристики после закалки. Размер зерна аустенита в деталях из стали общего назначения контролируется на уровне 5-8.
Марка стали | Изотермическая температура /℃ | Изотермическое время /мин | Класс | Изотермическая температура /℃ | Изотермическое время /мин |
65 | 280-350 | 10-20 | GCr9 | 210~230 | 25-45 |
65Mn | 270-350 | 10-20 | 9SiCr | 260-280 | 30-45 |
55Si2 | 300-360 | 10-20 | Cr12MoV | 260-280 | 30-60 |
60Si2 | 270-340 | 20-30 | 3Cr2W8 | 280-300 | 30-40 |
T12 | 210~220 | 25-45 |
Закалка Охлаждение
Чтобы высокотемпературная фаза в стали - аустенит - превратилась в низкотемпературную метастабильную фазу - мартенсит в процессе охлаждения, скорость охлаждения должна быть больше критической скорости охлаждения стали. В процессе охлаждения заготовки существует определенная разница между скоростью охлаждения поверхности и сердцевины. Если эта разница достаточно велика, она может привести к тому, что деталь со скоростью охлаждения, превышающей критическая скорость охлаждения превращается в мартенсит, в то время как ядро, скорость охлаждения которого меньше критической, не может превратиться в мартенсит.
Чтобы обеспечить превращение всего поперечного сечения в мартенсит, необходимо выбрать закалочную среду с достаточной охлаждающей способностью и обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения сердцевины заготовки. Но если скорость охлаждения велика, внутреннее напряжение, вызванное неравномерным тепловым расширением и сжатием внутри заготовки, может привести к ее деформации или растрескиванию. Поэтому, учитывая два вышеуказанных противоречивых фактора, важно разумно выбрать закалочную среду и метод охлаждения.
Этап охлаждения - это не только получение приемлемой структуры деталей, достижение требуемых эксплуатационных характеристик, но и сохранение точности размеров и формы деталей. Это ключевое звено в процессе закалки.
Твердость заготовки
Твердость закаленной заготовки влияет на эффект закалки. Твердость закаленной заготовки обычно определяется по значению HRC, измеряемому твердомером Роквелла. Значение HRA может быть измерено для тонких твердых стальных листов и заготовок с поверхностной закалкой, а для закаленных стальных листов толщиной менее 0,8 мм, заготовок с поверхностной закалкой с неглубоким слоем и закаленных стальные прутья диаметром менее 5 мм, для измерения их твердости HRC можно использовать поверхностный твердомер Роквелла.
Когда сварка углеродистой стали и некоторых легированных сталей закалка может привести к тому, что зона термического влияния станет твердой, что чревато холодным растрескиванием. Этого следует избегать во время процесс сварки.
Из-за твердости и хрупкости металла после закалки возникающие остаточные поверхностные напряжения могут вызвать холодные трещины. Отпуск может быть использован как один из методов устранения холодных трещин без снижения твердости.
Закалка больше подходит для деталей небольшой толщины и диаметра. Для более крупных деталей глубина закалки недостаточна, и та же проблема возникает при науглероживании. В это время следует рассмотреть возможность добавления в сталь таких сплавов, как хром, для повышения прочности.
Закалка является одним из основных способов упрочнения стальных материалов. Мартенсит в стали является самой твердой фазой в структурах твердых растворов на основе железа, поэтому стальные детали могут получить высокую твердость и высокую прочность путем закалки. Однако мартенсит очень хрупок, и в стали после закалки возникает большое внутреннее напряжение, поэтому она не подходит для прямого применения и должна быть закалена.
Односреднее закаливание: Заготовка охлаждается в одной среде, например, в воде или масле. Преимуществами являются простота эксплуатации, легкая механизация и широкое применение. Недостатком является то, что закалка в воде вызывает большое напряжение, что делает заготовку склонной к деформации и растрескиванию; закалка в масле имеет медленную скорость охлаждения, малый диаметр закалки и затрудняет закалку больших заготовок.
Двойное среднее закаливание: Заготовка сначала охлаждается до температуры около 300℃ в среде с сильной охлаждающей способностью, а затем охлаждается в среде с более слабой охлаждающей способностью. Этот метод позволяет эффективно снизить внутреннее напряжение из-за мартенситного превращения и уменьшить склонность заготовки к деформации и растрескиванию.
Поэтапное закаливание: Заготовка закаливается в низкотемпературной соляной или щелочной ванне с температурой около точки Ms. Заготовка остается при этой температуре в течение 2-5 минут, а затем охлаждается на воздухе.
Изотермическое закаливание: Заготовка закаливается в изотермической соляной ванне, температура соляной ванны находится в нижней части бейнитной зоны (немного выше, чем Ms). Заготовка остается при той же температуре в течение длительного времени до завершения бейнитного превращения, а затем охлаждается на воздухе.
Поверхностное закаливание: Поверхностная закалка - это метод частичной закалки поверхностного слоя стального изделия на определенную глубину, в то время как сердцевина остается незакаленной.
Индукционная закалка: Индукционный нагрев использует электромагнитную индукцию для создания вихревых токов в заготовке для нагрева.
Криогенное закаливание: При этом в качестве закаливающей среды используется раствор ледяной воды, обладающий сильной охлаждающей способностью.
Частичное тушение: При этом закалке подвергаются только те части заготовки, которые необходимо закалить.
Закалка с газовым охлаждением: конкретно относится к нагреву в вакууме и закалке в циркулирующем с высокой скоростью нейтральном и инертном газе отрицательного давления, нормального давления или высокого давления.
Закалка с воздушным охлаждением: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется принудительно подаваемый воздух или сжатый воздух.
Закаливание рассолом: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется раствор соленой воды.
Закалка органических растворов: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется водный раствор органического полимера.
Закаливание спреем: При этом в качестве охлаждающей среды для закалки используется струйный поток жидкости.
Горячая ванна Охлаждение: Это предполагает закалку заготовки в горячей ванне, например, в расплавленной соли, расплавленной щелочи, расплавленном металле или высокотемпературном масле.
Двухжидкостное закаливание: После нагрева заготовки для образования аустенита ее сначала погружают в среду с сильной охлаждающей способностью, а когда она должна претерпеть мартенситное превращение, ее сразу же переносят в среду со слабой охлаждающей способностью для охлаждения.
Закалка под давлением: После нагрева заготовки до образования аустенита ее закаливают в специальных приспособлениях зажимс целью уменьшения деформации при охлаждении закалкой.
Сквозное садоводство: Это предполагает закалку заготовки от поверхности до сердцевины полностью.
Изотермическое закаливание: Заготовка быстро охлаждается до интервала температур бейнитного превращения для поддержания изотермичности после нагрева для образования аустенита, что позволяет аустениту превратиться в бейнит.
Поэтапное закаливание: После нагрева заготовки для образования аустенита ее погружают в щелочную или соляную ванну с температурой немного выше или ниже точки M1 на определенное время, и после того, как вся заготовка достигает средней температуры, ее вынимают для охлаждения на воздухе, чтобы получить мартенсит.
Субтемпературная закалка: Заготовки из гипоэвтектоидной стали закаливаются после аустенизации в диапазоне температур Ac1-Ac3 для получения мартенситной и ферритной структур.
Прямое закаливание: Это предполагает непосредственную закалку заготовки после науглероживания.
Двойное закаливание: После науглероживания заготовка сначала аустенизируется при температуре выше Ac3, а затем закаливается для уточнения структуры сердцевины. Затем ее аустенизируют при температуре немного выше Ac3 для уточнения структуры науглероженного слоя.
Самоохлаждающаяся закалка: После быстрого нагрева заготовки для локальной или поверхностной аустенизации тепло от зоны нагрева самостоятельно распространяется на ненагретую область, вызывая быстрое охлаждение аустенизированной области.
Закалка - важнейший процесс термообработки, широко применяемый в современном машиностроении. Практически все важнейшие компоненты машин, особенно стальные детали, используемые в автомобильной, авиационной и космической промышленности, подвергаются закалке для улучшения их механических свойств. Для удовлетворения разнообразных технических требований, предъявляемых к различным компонентам, было разработано множество специализированных процессов закалки.
Методы закаливания можно классифицировать по нескольким признакам:
1. Область обработки:
2. Фазовые превращения при нагревании:
3. Фазовые превращения при охлаждении:
Каждый метод закалки имеет специфические характеристики и ограничения, что делает их подходящими для конкретных применений. Среди них наиболее широко используются поверхностная закалка с индукционным нагревом и закалка в пламени. Новые методы закалки с высокой плотностью энергии нагрева, такие как нагрев лазерным лучом и электронным пучком, быстро завоевывают внимание благодаря своим уникальным возможностям и точности управления.
Поверхностная закалка находит широкое применение в деталях машин, изготовленных из среднеуглеродистой закаленной стали или ковкого чугуна. Этот процесс особенно эффективен для закаленной стали со средним содержанием углерода, так как позволяет сохранить высокие общие механические свойства в сердцевине, достигая при этом превосходной поверхностной твердости (>HRC 50) и износостойкости. Распространенные области применения включают шпиндели станков, зубчатые колеса, коленчатые и распределительные валы дизельных двигателей.
Принцип поверхностной закалки также может быть применен к различным материалам на основе железа с составом, подобным среднеуглеродистой стали, таким как:
Среди них ковкий чугун демонстрирует наилучшие технологические характеристики и высокие общие механические свойства, что делает его наиболее широко используемым материалом для поверхностной закалки.
Для высокоуглеродистых сталей поверхностная закалка значительно повышает поверхностную твердость и износостойкость. Однако пластичность и вязкость сердцевины остаются относительно низкими. Поэтому поверхностная закалка высокоуглеродистой стали применяется в основном для изготовления инструментов, измерительных приборов и валков с высокой степенью холодной закалки, которые испытывают минимальные ударные и знакопеременные нагрузки.
Низкоуглеродистые стали, с другой стороны, демонстрируют минимальный эффект упрочнения после поверхностной закалки и поэтому редко подвергаются такой обработке.
Выбор подходящего метода закалки и материала зависит от конкретных требований к компонентам, включая механические свойства, износостойкость и условия эксплуатации. Достижения в области технологий закалки продолжают расширять возможности улучшения свойств материалов в различных областях промышленности.