Для чего нужна закалка металла: цели и методы реализации

Что даёт закалка стали? Во всех термических процессах при изготовлении деталей выгодно, чтобы исходная заготовка имела достаточную пластичность и минимальную прочность. Это позволяет снизить энергозатраты на её обработку. Тем не менее, даже несмотря на эффект упрочнения (например, после холодной объёмной деформации), прочностные показатели металла готовой детали оказываются всё же недостаточными. Теперь производственники сталкиваются с обратной проблемой, когда прочность следует повысить. Коллизия устраняется применением различных процессов термической обработки, которые следуют непосредственно после изготовления детали или поковки. Причём первой в ряду таких процессов стоит закалка сталей. 

Для чего нужна закалка стали            

Конечная цель закалки стали - это повышение прочностных характеристик металла, увеличение его твёрдости и износостойкости. Желательно при этом критично не увеличить хрупкость. Обе цели закалки стали противоречивы, поэтому в чистом виде закалка применяется редко, а чаще сочетается с операцией отпуска, когда закалённую «с избытком» сталь специально подобранными режимами доводят до таких значений эксплуатационных показателей, которые требует конструктор изделия. Например, при производстве металлической арматуры, широко используемой в железобетонных конструкциях, важно добиться оптимального баланса между твёрдостью и пластичностью стали, чтобы арматура могла эффективно воспринимать растягивающие нагрузки без риска разрушения.

Порядок переходов

Стандартная схема закалки металла – это последовательно выполняемые переходы, приводящие к повышению твёрдости. Они включают в себя:

• Нагрев металла в закалочных печах до определённой температуры;
• Удерживание его при этой температуре некоторое время (оно называется критическим значением времени закалки стали);
• Последующее быстрое охлаждение в соответствующей закалочной среде – воде, маслах, водно-солевых растворах или в интенсивном воздушном потоке.

Именно такое сочетание температурно-временных переходов способствует благоприятным изменениям в свойствах сталей после закалки.  Часто её сочетают с другими операциями термоупрочнения, например, с поверхностным легированием.

Характеристика закалочных микроструктур

Основным компонентом, образующимся при закалке, является мартенсит – твёрдая и хрупкая фаза. В зависимости от состава стали и условий закалки, в меньшем количестве могут присутствовать и другие фазы - остаточный аустенит и бейнит. Их наличие связано с тем, что любая сталь состоит из железа и углерода, причём преобладающая доля углерода содержится не в чистом виде, а в виде карбидов, главным из которых является цементит Fe3C. Остальные в процессе выплавки образуют твёрдые растворы. Впоследствии эти твёрдые растворы играют важную роль в высокотемпературных превращениях, происходящих во время закалки.

1. Мартенсит является высоко доминирующей фазой, которая образуется при быстром охлаждении аустенита (раствора углерода в железе). Такое охлаждение предотвращает диффузию атомов углерода из решётки железа, что приводит к образованию объёмно-центрированной тетрагональной (ОЦТ) кристаллической структуры, пересыщенной углеродом. Это мартенситное превращение происходит без диффузии, поэтому приводит к образованию высоконапряжённой и твёрдой структуры. 
2. Остаточный аустенит. Образуется вследствие того, что часть аустенита после закалки может остаться неизменённой, особенно в сталях с высоким содержанием углерода (или легированных сталях). Этот остаточный аустенит способствует повышению вязкости и пластичности.
3. Бейнит. При определённых условиях: более медленное охлаждение - или на этапах разделения после закалки, может образовываться некоторое количество бейнита - микроструктуры, состоящей из феррита и карбида. Особенность бейнита в том, что он более прочный и менее твёрдый, чем мартенсит.
4. Мартенсит отпуска. Образуется, когда для достижения нужной прочности и пластичности изделие после закалки подвергают отпуску. Применение отпуска снижает внутренние напряжения и хрупкость мартенсита. 

Кроме указанных фаз, при закалке часто формируются также новые вторичные карбиды. 

Формы реализации и этапы закалки стали

Основная цель закалки стали – добиться наибольшей долговечности изделия. Используются такие разновидности процесса:

• Аустенитизация - нагревание металла до температурной точки, когда он полностью превращается в аустенит;
• Закалка (по схеме, описанной выше);
• Отпуск, при котором закалённый металл нагревают до более низкой температуры, чтобы снять внутренние напряжения и повысить вязкость.

Выбор технологии зависит от задач закалки, формы и размеров заготовки, а также интенсивности изменения прочностных показателей металла. Например, для таких изделий, как листовой металл и металлические трубы, параметры термообработки подбираются индивидуально.

Какие металлы способны закаливаться, а какие - нет

Общие принципы

Внутренняя структура металла, изменяющаяся во времени, служит мерилом его закаливаемости – способности достичь нужных показателей твёрдости, причём на требуемой глубине. 

Факторы, влияющие на эффективность закалки:

1. Содержание углерода в стали – чем оно выше, тем большей твёрдости удаётся достичь. 
2. Количество и состав легирующих элементов. Например, хром, молибден и никель могут улучшить закалку путём снижения критической скорости охлаждения. Наоборот, кобальт, не являясь карбидообразующим металлом, на эффективность закалки практически не влияет.
3. Скорость охлаждения, имеющая решающее значение для достижения желаемой микроструктуры и твёрдости. 
4. Характеристики закалочной среды – температура закалки стали, состав, вязкость – определяют скорость охлаждения и конечную твёрдость металла. 

Размеры и форма заготовок также влияют на скорость охлаждения и эффективность закаливаемости металла.

Способность к закалке металлов и сплавов

Закалка и отпуск сталей возможны не всегда, да и зачем? Например, высокоуглеродистые стали и сплавы могут и так существенно увеличивать свою твёрдость, а низкоуглеродистые стали и некоторые металлы, например, свинец и олово, закалке практически не поддаются. Закаливаемость зависит от таких факторов, как состав материала, кристаллическая структура и наличие легирующих элементов. 

Металлы и сплавы с хорошей закаливаемостью:

1. Высокоуглеродистые стали, содержащие более 0,6% С. Они способны образовывать значительное количество карбидов, существенно повышающих твёрдость.
2. Сплавы на основе титана и алюминия. Закалка происходит благодаря сочетанию трёх видов упрочнения - твёрдого раствора, дисперсионному и фазовому. 
3. Чугуны, любая марка которых содержит большое количество углерода. 
4. Медь и её сплавы, причём медь способна увеличивать свою прочность даже без термообработки, а в результате холодной пластической деформации. Она вызывает появление дефектов в кристаллической структуре, которые и становятся причиной роста твёрдости.
5. Некоторые виды нержавеющих сталей.

С последними ситуация неоднозначная. С одной стороны, закалка таких сталей возможна, но по особой технологии, называемой старением. В процессе высокотемпературного старения растворяющиеся легирующие элементы входят мелкими частицами в основную микроструктуру, увеличивая её прочность. С другой стороны, имеется много марок малоуглеродистых нержавеющих сталей, количество карбидов в которых настолько мало, что они не оказывают влияния на твёрдость исходного сплава, даже обладающего избыточной тепловой энергией.

Почему некоторые металлы и сплавы не могут быть закалены

Низкоуглеродистые стали (обычно имеющие менее 0,25…0,30% С) не содержат достаточно углерода, и не могут образовать значительного количества твёрдых карбидов. В эту же категорию попадают и электротехнические стали: в их составе количество карбидов минимизировано, чтобы обеспечить высокую электропроводность.

Не поддаются закалке свинец и олово. Их кристаллическая структура позволяет легко перемещаться дислокациям, что делает закалку невозможной. Из нержавеющих сталей не закаливаются сплавы аустенитного типа (пример – популярные марки AISI 304 или AISI 316).

Технология и виды закалки сталей

При проектировании принимают во внимание требуемую производительность процесса, состав атмосферы внутри нагревательного устройства, размеры его рабочего пространства и точность отработки технологических параметров.

Ключевые параметры режимов закалки

Включают:

1. Температуру нагрева - целевую температуру, до которой нагревается металл, и которая напрямую влияет на фазовые превращения и формирующуюся микроструктуру. В некоторых видах термической обработки после предварительного нагрева и закалки используется более низкая температура (отпуск) для дальнейшего изменения механических свойств.
2. Скорость нагрева. Определяет интенсивность, с которой металл достигает требуемой температуры. Различные скорости нагрева могут влиять на микроструктуру и распределение напряжений в металле.
3. Время. Является функцией продолжительности выдержки металла при закалке. Время выдержки должно позволять завершить фазовые превращения и гомогенизировать температуру в материале.
4. Скорость последующего охлаждения металла после достижения заданной температуры. Устанавливает конечную микроструктуру и твёрдость.

Что такое закалка стали? Это, прежде всего, соблюдение режима её термообработки. При выборе способа закалки стали в первую очередь учитывают свойства материала, геометрию и размеры заготовки/детали. Они влияют на распределение тепла и требуемые параметры нагрева. Учитывают также, что иногда требуется только поверхностная закалка стали (это процесс, когда нужные значения глубины и твёрдости важны только для приконтактного слоя поверхности металла, и именно от него зависит эффективность термообработки). 

Как происходит закалка сталей? При современных методах проектирования данных процессов широко применяется моделирование. Программы компьютерного моделирования - Deform, Simufact Forming, Q-Form, используются для оптимизации процессов закалки, помогая прогнозировать конечную микроструктуру и механические свойства.

Для изделий из фасонного металлопроката, особенно если они подвергаются механической обработке, часто применяются специальные режимы закалки, сочетающие нагрев и охлаждение в разных средах.

Сводная таблица режимов различных способов закалки металлов

Закаливаемый материал	Диапазон закалочных температур, 0С	Диапазон температур отпуска,0С	Закалочная среда	Среда охлаждения для легированных сталей и для нелегированных сталей
Среднеуглеродистые конструкционные стали	920…980	170…540	Воздух	Воздух/инертный газ
Высокоуглеродистые конструкционные стали	980…1040	200…540	Воздух	Воздух/инертный газ
Инструментальные нелегированные стали	980…1040	220…540	Масло	Воздух/инертный газ
Инструментальные быстрорежущие стали	1080…1120	870…900	Масло или водно-солевой раствор	Эндогаз
Инструментальные легированные стали	950…1010	-	Масло	Воздух/аммиак

 

Производственное оборудование

Производственное оборудование для закалки металлов включает в себя различные нагревательные устройства и инструменты, предназначенные для нагрева и охлаждения металла и для достижения желаемого уровня свойств. Они могут варьироваться от простых установок (для небольших предприятий) до крупных автоматизированных комплексов, расположенных в специализированных термических цехах. 

К основному оборудованию относятся:

• Нагревательные пламенные печи;
• Индукционные закалочные машины;
• Газопламенные закалочные установки;
• Печи для отпуска. 

Нагревательные печи используются для доведения металла до требуемой температуры закалки, которая варьируется в зависимости от марки стали (см. таблицу). Печи периодического действия (камерные) подходят для небольших объёмов производства, в то время как печи непрерывного действия – проходные или методические - более эффективны при крупносерийном характере производства. 

Индукционные закалочные установки используют энергию электромагнитной индукции, что позволяет быстро закаливать такие детали как шестерни, оси и валы. Современные интегрированные установки имеют встроенные системы управления, а установки, используемые на небольших участках, оснащаются внешними источниками питания. 

Газопламенные закалочные агрегаты используются для местной закалки открытым пламенем, обеспечивая локальное упрочнение. 

При выборе закалочного оборудования учитывают его назначение, вид закалочной среды, наличие транспортно-передающих систем. Из прочей оснастки предусматривают щипцы и плоскогубцы, которые используются для безопасного обращения с горячим металлом во время закалки. 

Заключение

Закалка - это не просто способ повысить твердость металла, а стратегический этап в металлообработке, обеспечивающий долговечность и надежность изделий. Она требует точного соблюдения температурных режимов, грамотного подбора оборудования и понимания свойств материала. Например, при производстве металлических труб, применяемых в строительстве, нефтегазовой отрасли и машиностроении, закалка позволяет существенно повысить сопротивляемость износу и внутреннему давлению, обеспечивая надёжную работу трубопроводов в сложных условиях эксплуатации.