Руководство как повысить твердость стали и цветных металлов

Закалка стали и сплавов

Закалка (мартенситное превращение) — основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают. Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа. В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость. Большинство углеродистых и инструментальных сталей при закаливании нагревают до температуры от 800 до 900С, а вот быстрорежущие стали Р9 и Р18 калятся при 1200-1300С.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Режимы закалки

• Закалка в одной среде

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении — детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины.

• Ступенчатая закалка

При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей. Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных — из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.

• Закалка в двух средах

Начинается быстрым охлаждением в воде и завершается медленным — в масле. Обычно такую закалку используют для изделий из инструментальных сталей. Основная сложность заключается в расчете времени охлаждения в первой среде.

• Поверхностная закалка (лазерная, токами высокой частоты)

Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты)

Отпуск

Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск — нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение. При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной. Различают низкий (150-200С, для инструмента и деталей с повышенной износостойкостью), средний (300-400С, для рессор) и высокий (550-650, для высоконагруженных деталей) отпуск.

Таблица температур закалки и отпуска сталей

Задачи и эффекты термообработки

При нагреве до температур, превышающих температуру рекристаллизации, микроструктура большинства марок сталей становится равновесной, а свойства – более равномерными во всех направлениях. Однако при естественном охлаждении такие преимущества не сохраняются. Более того, образуются грубые кристаллиты, возрастает полосчатость и иные дефекты, ухудшающие эксплуатационные свойства металла.
Для сохранения положительных характеристик было бы удобно зафиксировать при комнатных температурах благоприятные фазово-структурные изменения. Самый простой способ – нагреть изделие до нужной температуры, а затем быстро его охладить. На этом принципе построено большинство технологий термообработки.

Когда мы говорим об изменении механических свойств, то имеем в виду прочность на сдвиг, ударную вязкость предел прочности и твёрдость стали. Учет такого механического изменения свойств позволяет коечной продукции быть более эффективной при выполнении повседневных задач и более устойчивой к износу даже в самых тяжелых условиях. Правильная термообработка стали снижает трудоёмкость других важных этапов производства. Например, в результате разумно использованных возможностей процессов термообработки можно снять напряжения, облегчая сборку или сварку конструктивных элементов, а также оптимизировать размеры их сечений.

Шестерни, валы, подшипники и другие важные компоненты машиностроительных узлов значительно выигрывают от таких процессов термообработки, когда увеличивается их износостойкость и общий срок службы. В частности, повышение усталостной прочности позволяет стальным изделиям более эффективно сопротивляться знакопеременным и ударным нагрузкам.

Велика роль процессов термообработки и в инструментальном производстве. Твёрдые стали и сплавы часто используются в качестве режущих и штамповых деталей, где необходимо поддерживать четкость формы и кромки. При этом можно достигать требуемого баланса между поверхностными твёрдыми слоями инструмента и более вязкой, пластичной сердцевиной.

Суммируя, можно отметить, что в результате термической обработки материал:

• Становится более прочным и твёрдым (или, наоборот, более мягким и пластичным!);
• Повышает свою усталостную прочность;
• Улучшает свариваемость;
• Обеспечивает необходимую микроструктуру;
• В ряде случаев изменяет химический состав поверхности.

Во многих случаях термообработка обратима, что позволяет изменять свойства стали, если по каким-либо причинам полученные характеристики не удовлетворяют производственным требованиям.

Термообработка цветных металлов

Сплавы на основе других металлов не отвечают на закалку столь же ярко, как стали, но их твердость тоже можно повысить термообработкой. Обычно используют сочетание закалки и предварительного отжига (нагрева выше точки фазового превращения с медленным охлаждением).

• Бронзы (сплавы меди) подвергают отжигу при температуре чуть ниже температуры плавления, а потом закалке с охлаждением водой. Температура закалки от 750 до 950С в зависимости от состава сплава. Отпуск при 200-400С производят в течение 2-4 часов. Наибольшие показатели твердости, до HV300 (около HRC 34) можно при этом получить для изделий из бериллиевых бронз.
• Твердость серебра можно повысить отжигом до температуры, близкой к температуре плавления (тусклый красный цвет) с последующей закалкой.
• Различные сплавы никеля подвергают отжигу при 700-1185С, такой широкий диапазон определяется разнообразием их составов. Для охлаждения используют соляные растворы, частички которых потом удаляют водой либо защитные газы, препятствующие окислению (сухой азот, сухой водород).

Оборудование и материалы

Для нагрева металла при термообработке используются 4 основных типа печей: — соляная электродная ванна — камерная печь — печь непрерывного горения — вакуумная печь

В качестве закалочных сред, в которых происходит охлаждение, используются жидкости (вода, минеральное масло, специальные водополимеры (Термат), растворы солей), воздух и газы (азот, аргон) и даже легкоплавкие металлы. Сам агрегат, где происходит охлаждение, называется закалочная ванна и представляет собой емкость, в которой происходит ламинарное перемешивание жидкости. Важной характеристикой закалочной ванны является качество удаления паровой рубашки.

Старение и другие методы повышения твердости

Старение — еще один вид термообработки, позволяющий повысить твердость сплавов алюминия, магния, титана, никеля и некоторых нержавеющих сталей, которые подвергают предварительной закалке без полиморфного превращения. В процессе старения увеличиваются твердость и прочность, а пластичность понижается.

• Сплавы алюминия, например, дуралюмины (4-5% меди) и сплавы с добавлением никеля и железа выдерживают в пределах часа при температуре 100-180С
• Сплавы никеля подвергают старению в 2-3 этапа, что в сумме занимает от 6 до 30 часов при температурах от 595 до 845С. Некоторые сплавы подвергают предварительной закалке при 790-1220С. Детали из никелевых сплавов помещают в дополнительный контейнеры, чтобы предохранить от контакта с воздухом. Для нагрева используют электрические печи, для мелких деталей могут применяться соляные электродные ванны.
• Мартенситно-стареющие стали (высоколегированные безуглеродистые сплавы железа) стареют около 3 часов при 480-500С после предварительного отжига при 820С

Химико-термическая обработка — насыщение поверхностного слоя легирующими элементами,

• неметаллическими: углеродом (цементация) и азотом (азотирование) применяются для повышения износостойкости колен, валов, шестерней из низкоуглеродистых сталей
• металлическими: например, кремнием (силицирование) и хромом помогает повысить износо- и коррозионную стойкость деталей

Цементирование и азотирование производят в шахтных электропечах. Существуют также универсальные агрегаты, позволяющие проводить весь спектр работ по термохимической обработке стальных изделий.

Обработка давлением (наклеп) — увеличение твердости в результате пластической деформации при относительно низких температурах. Таким образом происходит упрочнение низкоуглеродистых сталей при холодной объемной штамповке, а также чистых меди и алюминия.

В процессе термической обработки изделия из стали могут претерпевать поразительные превращения, приобретая износостойкость и твердость, в разы большую чем у исходного материала. Диапазон изменения твердости сплавов из цветных металлов при термической обработке гораздо меньше, но их уникальные свойства зачастую и не требуют масштабного улучшения.

Виды термообработки стали

Включают в себя отжиг, закалку, отпуск, термомеханическую и механо-термическую обработку, а также химико-термическую обработку и обработку холодом.

Отжиг

Операция отжига состоит в нагреве стали до заданной температуры, выдержки при этой температуре и в последующем медленном охлаждении (часто – вместе с печью). Главная цель отжига – получение равновесной структуры. Поэтому в процеесе отжига улучшаются механические свойства, выравнивается химический состав сталей, улучшается их обрабатываемость, уменьшаются остаточные деформации. Часто отжиг входит в число предварительных операций термообработки, в результате которой требуется подготовить исходную структуру к дальнейшим переходам. Отжиг подразделяют на:

• Рекристаллизационный, целью которого является снятие наклёпа;
• Полный или неполный – различаются степенью завершённости структурных перестроек;
• Сфероидизационный, который выполняется с целью получения структуры зернистого перлита;
• Изотермический, которому подвергают легированные стали;
• Низкотемпературный (для снятия внутренних напряжений);
• Диффузионный, при котором гарантируется наивысшая структурная однородность металла.

Конкретные температуры нагрева металла при отжиге зависят от марки стали.

Закалка

Режим термической обработки стали при закалке устанавливается по химсоставу и структуре стали. В зависимости от структуры различают доэвтектоидные и заэвтектоидные стали. После завершения процесса кристаллизации первые содержат не более 0,8 % С, вторые – более 0,8% С. В структуре доэвтектоидных сталей присутствуют феррит и перлит, в то время как структуру заэвтектоидных сталей представляют перлит и вторичный цементит Fe3C.

На типовой диаграмме состояния углеродистых сталей линия Ас3, которая определяет температурную границу аустенитного превращения, зависит от процентного содержания углерода. С увеличением этого содержания она снижается от 9000С (для малоуглеродистых сталей) до 7230С – для средне- и высокоуглеродистых.

Доэвтектоидную сталь нагревают до температуры, на 20…300С превышающую линию Ас3, а заэвтектоидную – до температур, на 20…300С превышающих температуру точки Ас1.

В результате закалки в стали образуются неравновесные структуры, поскольку последующее быстрое охлаждение затрудняет любые фазовые превращения. Поэтому твёрдость (а, следовательно, и хрупкость) стали после закалки резко увеличивается. В структуре таких сталей присутствуют мартенсит, значительное количество не успевших раствориться карбидов, а также остаточный аустенит.

Закалку подразделяют на полную, неполную и изотермическую. Во многих случаях закалку ведут по ступенчатой схеме, многократно нагревая металл. В результате структурные изменения наблюдаются по всему сечению, с соответствующим превращением аустенита в мартенсит.

Сталь после закалки не может непосредственно использоваться для дальнейшей обработки, поэтому возникающие структурные напряжения приходится снимать последующим отпуском.

Отпуск

Представляет собой операцию нагрева и выдержки предварительно закалённой стали при температуре на 20…300С ниже критической точки начала мартенситного превращения. Как следствие, происходит частичное превращение остаточного аустенита и мартенсита, сопровождающееся снятием внутренних напряжений, снижением хрупкости, повышением вязкости и пластичности стали. Несколько снижается твёрдость металла.

Отпуску подвергают все предварительно закалённые детали, за исключением тех, которые прошли изотермическую закалку. Отпуск ведут в масляных средах, селитровых ваннах или в отпускных печах с принудительной циркуляцией воздуха.

Режимы отпуска определяются химическим составом и необходимыми показателями твёрдости стали.

Химико-термическая обработка

Основное назначение термической обработки стали – изменение её структуры и твёрдости, однако в некоторых случаях требуется менять также и химический состав поверхностных и особенно – глубинных слоёв изделия. Эту функцию выполняют процессы химико-термической обработки.

Эти процессы различаются:

• Источниками получаемых изменений. Ими могут быть тепло, генерируемое нагретыми рабочими средами (газом, расплавами) и электроэнергией (в последнем случае отдельно выделяют технологии электро-химико-термической обработки;
• Материалами или соединениями, которые внедряются в исходную микроструктуру. По этому принципу отдельно рассматривают операции азотирования, борирования, цементирования, нитридирования (отличается от азотирования тем, что в структуре присутствует не сам азот, а его соединения), алюминирования, сульфидирования и т.д.
• Способами реализации: электрическом дуговым разрядом, электроисковым легированием, диффузионной металлизацией и пр.

По ряду причин химико-термическая обработка является наиболее универсальным, прогрессивным и точным методом желаемого изменения структуры и свойств термически обрабатываемой стали.

Термомеханическая обработка

Этот вид тепловой обработки сталей (как и родственная ему механо-термическая обработка) относится к числу комбинированных технологий. Она заключается в одновременном воздействии на металл высоких температур и пластических деформаций, которые ведутся в диапазонах структурных превращений. Эффективность способов обуславливается меньшим временем и более высокой однородностью происходящих структурных превращений.

Термомеханическая обработка применима не ко всем видам сталей.

Криогенная обработка

Как ни парадоксально, но термообработка металлов может проводиться не только при повышенных, но и при пониженных температурах заготовок. Такие процессы называют также обработкой холодом.

Необходимость в криогенной обработке связана с тем, что в некоторых случаях отпуск закалённых сталей не приносит должного результата, поскольку количество нежелательного остаточного аустенита остаётся высоким. Применение криогенной обработки обеспечивает:

• Улучшение механических свойств сталей, особенно быстрорежущих;
• Повышение износостойкости контрольно-измерительных инструментов;
• Увеличение твёрдости нержавеющих сталей;
• Повышение качества поверхности, которая в дальнейшем будет подвергаться полировке.

Во всех случаях обработка холодом способствует стабилизации размеров заготовок.

Закалка стали 40Х

При сильном нагреве практически все материалы изменяют свои физические характеристики. В некоторых случаях нагрев проводится целенаправленно, так как подобным образом можно улучшить некоторые эксплуатационные качества, к примеру, твердость. Термическая обработка на протяжении многих лет используется для повышения твердости поверхности стали. Выполнять закалку следует с учетом особенностей металла, так как технология повышения твердости поверхности создается на основании состава материала. В некоторых случаях провести закалку можно в домашних условиях, но стоит учитывать, что сталь относиться к труднообрабатываемым материалам и для придания пластичности нужно проводить сильный нагрев до высоких температур при помощи определенного оборудования. В данном случае рассмотрим особенности нагрева стали 40Х для повышения пластичности и проведения закалки или отпуска.

При каких температурах происходит закалка стали, что служит охлаждающей средой

Наиболее часто процессу закалки подвергают различные стали. Это связано с тем, что сталь является основным материалом при изготовлении механизмов и конструкций. Для каждой марки стали выведены свои оптимальные показатели, при которых происходит процесс закалки. Для марок быстрорежущих сталей можно сказать, что:

• Сталь Р18 закаливается при температуре 1270 градусов по Цельсию, с дальнейшим охлаждением в масле;
• Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5 – при 1230 градусах, с остыванием в том же охладителе;
• Р6М5 – при 1220 градусах с охлаждением в масле;
• Р2АМ9К5 – при 1200 градусах с тем же охладителем;
• Р12Ф3 – 1250 градусов.

Для марок инструментальных легированных сталей показатели следующие:

• Х – температура в пределах 830-850 градусов, среда охлаждения – масло;
• ХВСГФ, 9ХС – 840-860, масло;
• ХВГ, В2Ф – 820-840, для первой – масло, для второй – вода;
• 13Х — 760-800, вода;
• 11ХФ – 810-830, масло;
• Х12, Х12МФ – 960-980, масло.

Для марок инструментальных углеродистых сталей показатели следующие:

• У7 – температура в пределах 800-820 градусов, охлаждение в воде;
• У8 – 780-800, вода;
• У10 – 770-800, вода;
• У12 – 760-790, вода.

Сталь 40Х

Как ранее было отмечено, для правильного проведения закалки и отпуска стали следует учитывать ее состав и многие другие особенности. Выбрать правильно режимы термической обработки можно с учетом следующей информации:

1. Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
2. Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
3. Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10 -1 = 217 Мпа.
4. Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c1= 743 , Ac3(Acm) = 815 , Ar3(Arcm) = 730, Ar1 = 693.
5. При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

Расшифровка стали 40Х говорит о том, что в составе материала находится 0,40% углерода и 1,5% хрома.

Скачать ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали 40Х»

Что подразумевают под закалкой

Если взять обычный гвоздь, зажать в тисках и попробовать согнуть его молотком, то это легко получится – гвоздь изготовлен из пластичной стали. Но если тот же эксперимент провести со сверлом – последнее лопнет при ударе молотка. Результат говорит о том, что сверло подвергали определенной обработке по увеличению его прочности, иначе оно не смогло бы пробуривать отверстия в плотном материале. Что же такое закалка металла?

Закалка стали

Говоря научным языком, закалкой металла называют технологический процесс, при котором кристаллическая решетка закаливаемого материала приобретает определенную структуру. Это возможно при воздействии на изделие высокими температурами до состояния его накаливания и дальнейшее охлаждение в масляной или водной среде. Сам процесс подразумевает множество нюансов температурного режима, длительности обработки металла.

Важно понимать, что увеличение твердости металла при закалке (полиморфном превращении) ведет к повышению его хрупкости. Поэтому проводить механические преобразования закаленных сталей (изгибание, выкручивание) можно только после предварительного нагрева их до определенной температуры.

Отпуск и нормализация

Отпуск проводится непосредственно сразу после завершения закалки, так как есть большая вероятность возникновения трещин в структуре. Разогревается изделие в этом случае до точки ниже критической, проводится выдерживание на протяжении определенного промежутка времени и выполняется охлаждение. Отпуск обеспечивает улучшение структуры, устраняет напряжение и повышает пластичность, устраняет хрупкость стали 40Х.

Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

Различают три вида рассматриваемой термообработки:

1. Низкий отпуск определяет разогрев поверхности до 250 °С с выдержкой и охлаждение на воздухе. Применяется для снятия напряжений и незначительного повышения пластичности практически без потери твердости. В случае конструкционного сплава применяется крайне редко.
2. Средний отпуск позволяет нагревать изделие до 500 °С. В этом случае вязкость значительно повышается, а твердость снижается. Используют этот метод термообработки при получении пружин, рессор и некоторого инструмента.
3. Высокий позволяет раскаливать деталь до 600 °С. В этом случае происходит распад мартенсита с образованием сорбита. Подобная структура представлена лучшим сочетанием прочности и пластичности. Также повышается показатель ударной вязкости. Используют этот метод термообработки для получения деталей, применяемых при ударных нагрузках.

Еще одним видом распространенной термообработки является нормализация. Зачастую нормализация проводится путем разогрева металла до верхней критической точки с последующей выдержкой и охлаждением в обычной среде, к примеру, на открытом воздухе. Проводят нормализацию для придания мелкозернистой структуры, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости.

Закаливаемость стали

Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате закалки. Эта характеристика зависит в большей степени от содержания углерода в мартенсите и в меньшей от содержания легирующих элементов. [цитата из книги «Материаловедение”, М.Ю. Лахтин, 1990 г.]

Также есть альтернативный вариант определения закаливаемости стали. Закаливаемость — способность стали воспринимать закалку, т.е. образовывать мартенситную структуру. Такая трактовка закаливаемости основывается на определении закалки стали и определении критической скорости охлаждения: закалка — нагрев стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержка и охлаждение со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения — минимальная скорость охлаждения аустенита в области его минимальной устойчивости, при которой подавляется распад аустенита на феррито-цементитную смесь и при которой обеспечивается структура мартенсита.

Источник

Специфика термообработки стали 40х

Термообработка стали 40х имеет свои нюансы, которые связаны с наличием в этом легированном металле множества примесей. Рассмотрим температурные режимы обработки стали, процесс закалки, отпуска и нормализации. Твердость после обработки.

Физические свойства материалов могут быть изменены посредством температурной обработки при высокой степени нагрева и последующего охлаждения. Это в первую очередь касается металлов, которые подвергают закалке. Чтобы правильно закалить сталь, нужно знать ее марку: она отражает полный химический состав твердого вещества. Так, проведение термообработки стали 40х имеет свои нюансы, связанные с разновидностью примесей, находящихся в ней.

Если брать точное определение типа стали, к которой относится 40х, то это классический вид легированного материала, где процентное содержание углерода уступает процентному содержанию примеси хрома. Этих элементов здесь от 0.44 до 0.36 и от 1.1 до 0.8 соответственно. Хром в металле способствует его стойкости к агрессивной окисляющей среде и придает ему способность не ржаветь. Кроме этого, хром влияет на механические показатели стали 40х, переводя ее в разряд конструкционных.

Виды химико-термической обработки металла и сплавов, описание

Основными считаются наполнение углеродом, азотом, диффузную металлизацию. Подогрев в жидкости предполагает выдерживание предмета в расплавленной соли либо железе. С помощью газового способа получают восстановительные и обменные реакции, диссоциации и диспропорционирования.

Цементация стали – что это

Это наполнение углеродом внешнего слоя заготовок, в котором количество химического элемента не превышает 25%. Процедура улучшает плотность поверхности, ее износоустойчивость и твердость. При этом нижние слои остаются вязкими. Обработка уместна для заготовок, подвергающихся контактному износу. В конце выполняют закаливание и отпуск, контролируя качества операции.

Метод уместен по окончании механической обработки посредством покрытия изделия обмазками или слоем меди. Степень нагрева детали зависит от состава. Чем меньше в ней углерода, тем выше нагрев. Для абсорбирования и диффузии минимальный порог нагрева составляет не менее 900-950⁰. Рассмотрим ниже процесс метода цементации металла, что это такое.

Насыщение углеродом осуществляют каменноугольным полукоксом, торфяным коксом либо древесным углем. Концентрация химического вещества на поверхности составляет до 1%, иначе материал становится хрупким. Далее его нормализуют. Цементацию в газе выполняют бензолом, метаном либо керосином.

Азотирование стали – что это

Это наполнение внешнего слоя азотом при подогреве в среде аммиака до 480-650⁰. Оно повышает устойчивость к коррозии и износу. При насыщении размер детали увеличивается. Степень изменения зависит от температуры и состава. Чаще всего применяют диапазон 500-520⁰. Выдерживая при таких параметрах в течение 24-90 часов можно увеличить толщину до 0,5 мм.

Нитроцементация или цианирование

Так называют разновидность азотирования. Рассмотрим, в чем отличие от поверхностной нитроцементации (закалки) стали, что это такое. Процесс представляет собой наполнение внешнего слоя одновременно углеродом и азотом. Процедуру проводят на материалах, количество азота в которых составляет 0,3-0,4%. Пропорция веществ регулируется температурой. Чем она выше, тем больше остается углерода. При пересыщении обоими компонентами изделие становится хрупким. Ее также именуют нитроцементацией. Ее проводят в газе или жидкости. Высокотемпературная процедура позволяет избежать деформации.

Особенности процесса закалки стали 40х

Особенности стали 40х, как указано выше, определяются богатым содержанием в ней примесей. Среди них, кроме основных рассмотренных, есть медь, марганец, никель, кремний, сера и фосфор. Все эти элементы в некотором смысле усложняют обработку такого металла, в том числе и термическую. Так, чтобы достичь нужной пластичности при закалке стали 40х, необходимо обеспечить сильный прогрев ее в муфельной печи до заданных температур. Остужать материал также нужно в определенном режиме для достижения необходимой твердости структуры.

Так как сталь 40х используется при изготовлении деталей ответственных механизмов: шестерней, валов, реек, осей, втулок и болтов, – точности процесса ее закалки уделяют особое внимание.

Что нужно знать о материале, подбирая конкретный режим термообработки:

1. Твердость металла в исходном состоянии, выраженная в мегапаскалях — HB 10-1 = 217.
2. Температура так называемых точек критического значения. Это показатели нагрева до определенных градусов, после чего сталь 40х может потерять свои положительные качества: Ar1 = 693, Ar3(Arcm) = 730, Ac3(Acm) = 815, c1 = 743.
3. Если температуру отпуска принять равной 200 градусов по Цельсию, то показатель твердости HB будет равен 552 МПа.

Закалка стали 40х однозначно ведет к увеличению ее твердости и снижению показателя пластичности. Но процентное соотношение этих показателей для такого металла будет зависеть от следующих факторов:

1. Время, за которое будет нагрета деталь до заданной температуры, влияет на общие показатели скорости термической обработки.
2. Интервал выдержки металла в разогретом состоянии. От этого показателя зависит равномерность прогрева всей структуры металла и приведение каждого звена кристаллической решетки в подвижное состояние.
3. Скорость, с которой заготовка подвергается охлаждению. Важный параметр при формировании новой кристаллической решетки.

Охлаждение стали при закалке

Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения. Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду. Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.

Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них — это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения. Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.

Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.

Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.

Закалка стали в муфельной печи

Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды. Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, — это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения. Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.

У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.

Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:

• погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
• все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
• надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.

Охлаждение в масляной ванне

Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.

Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав. Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.

Оптимальный режим термической обработки

1. Электропечь прогревают до температуры, близкой к 860 градусам по Цельсию. При стандартной мощности печи по времени это занимает около 40 минут.
2. Время выдержки заготовки в камере принимают равным 10–15 минутам. Визуально цвет стали 40х должен приобрести однородный желтый оттенок.
3. Для охлаждения чаще используют масляную среду, реже — воду.

Более точно рассчитать время нагрева изделия из металла можно, используя правило: на каждый кубический миллиметр нужно давать от 1.5 до 2 минут пребывания детали внутри камеры электропечи.

Как показала практика, для стали 40х наиболее эффективный способ закаливания — при разогревании металла токами высокой частоты (ТВЧ). Такой прогрев характеризуется быстрым достижением заданной температуры, а также улучшенными показателями прочности изделия при эксплуатации.

Применяемое оборудование

Термические печи можно разделить на два основных типа: периодические и непрерывные. Принципиальная разница между ними заключаются в том, как обрабатываемые заготовки размещаются в агрегатах, и ​​как они взаимодействуют с атмосферой внутри печей.

Основными источниками энергии для нагрева оборудования являются природный газ и электричество. Реже используются альтернативные источники энергии, например, мазут.

Печи, в которых ведётся термообработка металлов, классифицируются по верхнему пределу температуры нагрева. Обычно используемый температурный диапазон – от 600 до 8000С. Преимущественно применяется конвекционный нагрев, основанный на циркуляции воздуха, продуктов сгорания или инертного газа находящихся внутри печи.

Установки периодического действия, как правило, обрабатывают заготовки партиями, причём нагрев каждой партии может продолжаться несколько часов (а иногда – и суток). В печи периодического действия рабочая загрузка обычно является стационарной, так что взаимодействие с изменениями в атмосфере печи осуществляется в условиях, близких к равновесным. Типы периодических печей:

• Колпаковые;
• Коробчатые;
• Нагревательные колодцы;
• С подвижным подом;
• С псевдоожиженным слоем;
• Шахтные;
• Вакуумные.

Печи непрерывного действия различаются способом движения обрабатываемых заготовок и характеристиками рабочей среды (воздух, инертный газ или вакуум).

Типы печей непрерывного действия:

• Камерные;
• Ленточные
• Монорельсовые
• Толкательные
• С роликовым/вращающимся подом;
• Печи с вибрирующим подом;
• Вакуумные печи;
• С шагающими балками.

Наилучшее регулирование параметрами нагрева обеспечивают электропечи.

Отпуск и нормализация

Для марки стали 40х можно применить три вида отпуска:

1. Отпуск на низких температурах предполагает прогрев детали до предела 250 градусов по Цельсию с выдержкой. Остужают заготовку на открытом воздухе. Термообработка такого характера способствует нейтрализации напряжений при минимальном увеличении пластичности без влияния на твердость. Используется метод редко, так как велика вероятность образования хрупкой структуры.
2. Отпуск на средних температурах. Прогрев здесь идет до 500 градусов по Цельсию. За счет более высокой температуры возрастает вязкость изделия с пропорциональным снижением твердости. Метод подходит для изготовления автомобильных рессор, пружин, другого специфического инструмента.
3. Отпуск на высоких температурах с увеличением прогрева до 600 градусов по Цельсию. В этом случае внутри кристаллической решетки распадается мартенсит, образуя при этом сорбит. На практике это лучший вариант пропорционального соотношения пластичности и твердости. Ударная вязкость при этом также возрастает. Детали, полученные таким образом, можно применять в механизмах, подверженных воздействию ударных нагрузок.

Чтобы избежать повышенной хрупкости при отпуске, охлаждение при этом процессе следует делать быстро в специальной вакуумной камере с системой продувки аргоном. Последние два условия помогут избежать возникновения внутренних дефектов в структуре материала, а именно образования раковин, полостей и деформаций.

Если после закаливания сталь 40х разогреть до критической точки, выдержать и охладить на воздухе, то внутренняя структура получит мелкозернистое строение – этот процесс носит наименование нормализация. Ее задача — повысить ударную вязкость металла и его пластичность.

Какой бывает закалка метала?

Для чего нужна закалка стали знали еще древние кузнецы. Правильно выбранная температура закалки стали позволяет изменять основные эксплуатационные характеристики материала, так как происходит преобразование структуры.

Закалка – термообработка стали, которая сегодня проводится для улучшения механических качеств металла. Процесс основан на перестроении атомной решетки за счет воздействия высокой температуры с последующим охлаждением.

Технология закалки стали позволяет придать недорогим сортам металла более высокие эксплуатационные качества. За счет этого снижается стоимость изготавливаемых изделий, повышается прибыльность налаженного производства.

Основные цели, которые преследуются при проведении закалки:

1. Повышение твердости поверхностного слоя.
2. Увеличение показателя прочности.
3. Уменьшение пластичности до требуемого значения, что существенно повышает сопротивление на изгиб.
4. Уменьшение веса изделий при сохранении прочности и твердости

Существуют самые различные методы закалки стали с последующим отпуском, которые существенно отличаются друг от друга. Наиболее важными режимами нагрева можно назвать:

1. Температуру нагрева.
2. Время, требующееся для нагрева.
3. Время выдержки металла при заданной температуре.
4. Скорость охлаждения.

Изменение свойств стали при закалке может проходить в зависимости от всех вышеприведенных показателей, но наиболее значимым называют температуру нагрева. От нее зависит то, как будет происходить перестроение атомной решетки. К примеру, время выдержки при закалке стали выбирается в соответствии с тем, какой прочностью и твердостью должно обладать зубчатое колесо для обеспечения длительной эксплуатации в условиях повышенного износа.

Цвета закалки стали

При рассмотрении того, какие стали подвергаются закалке стоит учитывать, что температура нагрева зависит от уровня содержания углерода и различных примесей. Единицы закалки стали представлены максимальной температурой, а также временем выдержки.

При рассмотрении данного процесса изменения основных эксплуатационных свойств следует учитывать нижеприведенные моменты:

1. Закалка направлена на повышение твердости. Однако с увеличением твердости металл становится и более хрупким.
2. На поверхности может образовываться слой окалины, так как потеря углерода и других примесей у поверхностных слоев больше, чем в середине. Толщина данного слоя учитывается при расчета припуска, максимальных размеров будущих деталей.

Выполняется закалка углеродистой стали с учетом того, с какой скоростью будет проходить охлаждение. При несоблюдении разработанных технологий может возникнуть ситуация, когда перестроенная атомная решетка перейдет в промежуточное состояние. Это существенно ухудшит основные качества материала. К примеру, охлаждение со слишком большой скоростью становится причиной образования трещин и различных дефектов, которые не позволяют использовать заготовку в дальнейшем.

Процесс закалки сталей предусматривает применение камерных печей, которые могут нагревать среду до температуры 800 градусов Цельсия и поддерживать ее на протяжении длительного периода. Это позволяет продлить время закалки стали и повысить качество получаемых заготовок. Некоторые стали под закалку пригодны только при условии нагрева среды до температуры 1300 градусов Цельсия, для чего проводится установка иных печей.

Отдельная технология разрабатывается для случая, когда заготовка имеет тонкие стены и грани. Представлена она поэтапным нагревом.

Полную закалку используют обычно для сталей и деталей, которые не подвержены растрескиванию или короблению.

Зачастую технология поэтапного нагрева предусматривает достижение температуры 500 градусов Цельсия на первом этапе, после чего выдерживается определенный промежуток времени для обеспечения равномерности нагрева и проводится повышение температуры до критического значения. Холодная закалка стали не приводит к перестроению всей атомной сетки, что определяет только несущественное увеличение эксплуатационных характеристик.

Как ранее было отмечено, есть различные виды закалки стали, но всегда нужно обеспечить равномерность нагрева. В ином случае перестроение атомной решетки будет проходить так, что могут появиться серьезные дефекты.

Свойства стали после закалки

Если термическая обработка стали 40х (закалка и отпуск) проведены правильно, в соответствии с ГОСТ 4543–71, который регламентирует такие работы, то металл приобретает следующие свойства:

1. Твердость повышенного характера с показателями НВ около 217.
2. Прочность с пределом при разрыве 980 Н/м².
3. Вязкость ударную 59 Дж/см².

Кроме всего прочего, закаленный металл лучше поддается ручной сварке при помощи дуги и электрошлаковой сварке.

Уважаемые посетители сайта: специалисты – технологи по закалке металла и все, кто не понаслышке сталкивался с вопросом термообработки стали 40х, – поделитесь своими знаниями в комментариях, поддержите тему! Всегда важно знать мнение профессионалов!

Какие виды закалок бывают

Чтобы правильно закалить металл, нужно точно знать его марку. От этого зависит температурный режим и выбор наиболее подходящего охладителя – то есть весь способ закалки.

Если брать стали, то малоуглеродистые из них вообще не поддаются термическому преобразованию. Цветные металлы закаливаются иначе, чем черные – во внутренней структуре первых не происходит полиморфное превращение.

Для точной выдержки технологического процесса закалки разработаны специальные таблицы по каждой марке металла. В остальном, если брать конкретную деталь, то под видами закалки понимают:

Виды термической обработки стали

• Частичную термическую обработку, где воздействию подвергают только определенный элемент детали, например, лезвие ножа;
• Полную термическую обработку, когда все изделие помещают в печь, раскаляют, а затем охлаждают до первоначального состояния.

По количеству охладителей, которые используют для остужения детали, бывают закалки с одним и двумя охладителями. В первом случае процесс одноступенчатый, с применением определенной жидкости для остужения заготовки из углеродистой либо легированной стали. Во втором процессе участвуют два охладителя, каждый из которых понижает температуру заготовки в своем режиме. Одновременно здесь происходит и отпуск металла.