Закалка металла – виды, способы и методы. Как самому закалить металл в домашних условиях

Может появиться в любой момент. На рынке продаётся большое количество разных инструментов, которые могли не закалять при изготовлении или,наоборот, переусердствовали с температурой при термической обработке. К примеру, можно вспомнить всем известные свёрла для дрели. Если сталь не закалена до нормы, она будет гнуться. В случае когда сталь закалена слишком сильно, сверло, скорее всего, начнёт крошиться.

Подобное описание подходит к любым стальным материалам. Проверить в магазине металл, естественно, не получиться. В таком случае остаётся только один вариант, речь идёт о закалке стали в домашних условиях.

Проверка металла на качество в домашних условиях

Первым делом после покупки металлического предмета нужно проверить его качество. Сделать это можно при помощи простого паяльника. Конец паяльника проводится по металлу , чтобы выяснить дефекты при разработке инструмента. Если паяльник прилипает к поверхности, значит, сталь, не закалена, и при частом использовании инструмент деформируется. Если, наоборот, конец паяльника проходит плавно по стали и почти отскакивает от неё, значит, металл закалён слишком сильно. В таком случае нужно сделать термальную обработку стального инструмента для повышения его прочности.

Методика закалки

В интернете можно найти большое количество методик и видео закаливания металлических предметов, но большинство из них предусматривает наличие специального оборудования, но есть способы, которые помогают повысить качество стали подручными средствами.

Вначале нужно определить, что собой представляет закалка стали. Основной процесс подразделяется на две части, а точнее, говоря, разогрев металла до высокой температуры и последующее охлаждение. Процесс выглядит только на первый взгляд простым, а ведь приходиться учитывать структуру и характеристики металла . Если без анализа стали начать её разогрев, материал, скорее всего, деформируется. Особенно часто деформация происходит с малоуглеродной сталью, поэтому если структура металла неизвестна, лучше не применять термическую обработку.

Закалка стали оправдана только в некоторых случаях.

Необходимость в повышении прочности инструмента . К примеру, это может быть обычная кухонная утварь, стамеска или зубило.
Повышение пластичности металла также требует термической обработки для дальнейшего упрощения работы при горячей ковке.

Заказать услугу по закалке стали можно и у специалистов, тем более что стоимость приемлемая. За 1 кг металла большой конструкции кузнецы обычно берут не больше 100–150 рублей. Если закаливать мелкие детали, то расценки составляют около 6–20 рублей. Это не будет гарантировать качества инструментов, поэтому многие и стараются применять термическую обработку в домашних условиях , чтобы самостоятельно следить за процессом.

Первым делом при разогревании стали нужно запомнить некоторые правила. Сталь можно и испортить, если поднимать температуру металла выше нормы. В таком случае инструмент может приобрести чёрный или синий оттенок , который в итоге нельзя будет даже сточить наждачной бумагой. Для того чтобы подобного дефекта не было, металл должен иметь в своей структуре достаточное количество углерода, а также нельзя переусердствовать с повышением температуры. Обычно сталь считается разогретой, если появляется красный оттенок.

Для термической обработки стальных инструментов может подойти резак, паяльная лампа, электрическая или газовая плита. В некоторых случаях разогрев металла можно производить и на костре . Фактически разницы нет в том, где лучше разогревать металлическое изделие. Просто на открытом воздухе, при разогреве с помощью костра, может не хватить энергии тепла для достижения необходимой температуры. Поэтому важно заранее уточнить температуру плавления и закалки материала.

Необходимо определиться и с охладителем при термической обработке. Для этого подойдёт любая ёмкость с водой, главное, чтобы инструмент поместился полностью. Если проводится закалка стали расходных материалов, то тут можно использовать и простую обрезанную бутылку. В случае проведения термической обработки топора, лома и других подобных инструментов, нужно выбирать ёмкость с большим объёмом. В некоторых случаях может подойти даже ванна, тем более что риска её деформации нет.

Охладитель подбирается не только с учётом размера стального предмета, но и способа термической обработки. Иной раз нужно закалить только определённый участок , и в этом случае можно использовать только струйное охлаждение. Точнее говоря, на материал каплями выливают простую воду в участок, который требует закалки. Особенно часто такой метод используется при термической обработке сверла для дрели или на гвоздях для повышения качества наконечника. Методику закалки можно разделить и на несколько уровней.

Выделяют следующие уровни охлаждения:

резкое;
разовые;
постепенное.

Для одинарного охлаждения чаще всего используется простая ёмкость с водой. Если используется охлаждение в две стадии, то в процессе применяется два разных средства. Это, свою очередь, повышает не только качество, но и появляется отпуск стального материала. В первую очередь сталь опускают в простую воду, а потом переставляют для дальнейшего охлаждения в машинное или минеральное масло . Процесс достаточно опасный, ведь нужно охладить изделие в воде, чтобы не произошло воспламенение масла.

Закалка стали на открытом огне

Как закалять металл в домашних условиях на открытом огне? Вопрос достаточно распространённый, и есть масса методик. Проводить термическую обработку на открытом костре, может быть, и не так эффективно, но при этом понижается опасность возникновения пожара , особенно при использовании масла во время охлаждения стального материала.

Первым делом нужно подготовить инструменты. Необходимо взять стальной материал, который будет проходить термическую обработку, кузнечные клещи или аналоговый инструмент и две тары. В одну ёмкость следует налить воду, а в другую тару добавляется машинное или дизельное масло.

После этого следует развести огонь, при этом использовать большое количество угля. В отличие от большинства методик разогрева металла, тут материал нужно положить прямо на угли и желательно, чтобы они были белого цвета, ведь именно они выдают наибольшую температуру. Огонь, который будет обволакивать сталь, обязан быть малинового цвета. Если появляется огонь белого цвета, то можно считать, что стальной материал начал гореть . Спасти его в таком случае невозможно, поэтому до такой стадии плавления лучше закалку не доводить.

Нельзя также допускать, чтобы на металлическом изделии появлялись чёрные или синие пятна. Синий цвет свидетельствует о том, что сталь слишком размягчилась и начала деформироваться, поэтому время от времени стоит проверять оттенок материала. Полная деформация металла происходит, когда предмет приобретает белый цвет.

После того как стальной материал разогрелся, нужно вытащить его из огня и опустить в масляную жидкость. Металл следует обмакивать несколько раз с промежутком в три секунды, постепенно увеличивая это время. Главное, всё выполнять без спешки, но и медлить нельзя, ведь обмакивать сталь можно только в том случае, если материал имеет соответствующий оттенок нагрева . После этого металлическое изделие помещается в простую воду, но тут стоит быть предельно внимательным, так как оставшиеся капли от масла могут просто вспыхнуть. Если процедура проведена с учётом всех рекомендаций, металлическое изделие можно просто оставить в воде до полного остывания.

Важно также запомнить, что в отличие от обычных инструментов, вытянутые предметы, например, сверла или гвозди, нельзя опускать в воду боком , так как нижняя часть из-за высокой температуры и резкого соприкосновения с водой может просто сплющиться. Такие вытянутые предметы опускаются воду вертикально, причём концом, который имеет больший диаметр.

Закалка стали в домашних условиях на плите или костре подходит только в тех случаях, когда используется простой тип материала. При закалке цветного металла требуется слишком высокая температура, которая равняется 600–900 градусам. Добиться такого результата можно при помощи доменных печей, но не в домашних условиях.

Заключение

Использование термической обработки металла может повысить качество инструментов или расходного материала. При проведении закалки стали в домашних условиях важно помнить основные рекомендации, чтобы не деформировать материал.

Процесс закалки стали позволяет повысить твердость изделия примерно в 3-4 раза. Многие производители проводят подобный процесс на момент производства продукции, однако в некоторых случаях ее следует повторить, так как твердость стали или другого сплава имеет малый уровень. Именно поэтому многие задаются вопросом, как закалить металл в домашних условиях?

Методика

Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно. Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение. Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

Особенности процесса

Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

Нагрев должен проходить равномерно. Только в этом случае структура материала однородна.
Нагрев стали должен проходить без образования черных или синих пятен, что свидетельствует о сильном перегреве поверхности.
Образец нельзя нагревать до крайнего состояния, так как изменения структуры будут необратимыми.
На правильность проведения нагрева стали указывает ярко-красный цвет металла.
Охлаждение также должно быть проведено равномерно, для чего используется водяная ванна.

Оборудование и особенности проводимого процесса

Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

электропечь;
паяльная лампа;
термопечь;
большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

Повышение твердости на открытом огне

В быту зачастую закалку проводят на открытом огне. Этот метод подходит исключительно для разового проведения процесса повышения твердости поверхности.

Всю работу можно разделить на несколько этапов:

для начала следует провести разведение костра;
на момент разведения костра подготавливаются две большие тары, которые будут соответствовать размеру детали;
для того чтобы костер давал больше жара нужно обеспечить большое количество углей. они дают много жара на протяжении длительного времени;
в одной емкости должна содержаться вода, в другой – моторное масло;
следует использовать специальные инструменты, при помощи которых будет удерживаться обрабатываемая раскаленная деталь. на видео часто можно встретить кузнечные клещи, которые наиболее эффективны;
после подготовки необходимых инструментов следует положить предмет в самый центр пламени. при этом можно деталь зарыть в самую глубь углей, что обеспечит нагрев металла до плавкого состояния;
угольки, которые имеют ярко белый цвет – раскалены больше других. за процессом плавки металла нужно следить пристально. пламя должно быть малиновым, но не белым. если огонь белый, то есть вероятность перегрева металла. в этом случае эксплуатационные качества значительно ухудшаются, а срок службы уменьшается;
правильный цвет, равномерный по всей поверхности, определяет равномерность нагрева металла;
если происходит потемнение до синего цвета, то это говорит о сильном размягчении металла, то есть он становится излишне пластичным. этого нельзя допускать, так как значительно нарушается структура;
при полном разогреве металла его следует убрать с очага высокой температуры;
после этого следует раскаленный металл поместить в тару с маслом с частотой 3 секунды;
завершающим этапом можно назвать погружение детали в воду. При этом периодически проводится взбалтывание воды. Это связано с тем, что вода быстро нагревается вокруг изделия.

При выполнении работы следует уделять внимание осторожности, так как раскаленное масло может нанести вред коже. На видео можно обратить внимание на то, какого цвета должна быть поверхность при достижении нужной степени пластичности. Но для закалки цветных металлов зачастую нужно оказывать воздействие температуры в промежутке ль 700 до 900 градусов Цельсия. На открытом огне провести нагрев цветных сплавов практически не возможно, так как достигнуть подобной температуры без специального оборудования нельзя. Примером можно назвать использование электропечи, которая способна нагревать поверхность до 800 градусов Цельсия.

Термическая обработка сталей — одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Как закалялась сталь

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

отжиг;
нормализация;
старение;
закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск — зависит от следующих факторов:

температуры нагрева;
времени (скорости) нагрева;
продолжительности выдержки при заданной температуре;
скорости охлаждения.

Закалка

Закалка стали — это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.

После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.

Нагрев металла

Все способы закалки стали состоят из:

нагрева стали;
последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
охлаждения с определенной скоростью.

Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.

Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:

в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.

Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.

Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением , подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Охлаждающие жидкости

Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.

Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.

При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.

Режимы

Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.

Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.

Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.

Недостатком масляной ванны является:

выделение вредных газов при закалке;
образование налета на изделии;
склонность масла к воспламеняемости;
постепенное ухудшение закаливающей способности.

Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.

В зависимости от требуемой температуры отпуск производится:

в масляных ваннах;
в селитровых ваннах;
в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
в ваннах с расплавленной щелочью.

Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.

Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.

Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.

Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.

Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас 3 (доэвтектоидной стали) или Ас 1 (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры —мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет находиться троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита. Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения данной стали путем быстрого охлаждения стали (температура наименьшей устойчивости аустенита 550— 650° С).

В зоне температур мартенситного превращения, т. е. ниже 300° С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как структурные напряжения успевают выравниваться, а твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже точки М к практически не снижается.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение.

Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло.

Способность стали закаливаться на определенную глубину называется прокаливаемостью. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенентной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают внутренние напряжения —термические и структурные. Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные напряжения — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема. В результате создания таких напряжений при закалке может возникать брак следующих видов: трещины, коробление, бочкообразность, изменение объема. Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность стали, обезуглероживание, окисление, перегрев, пережог и др.

Правильное погружение деталей в закалочную среду помогает избежать образования некоторых дефектов (поводки, коробления,трещин и др.).

Рис. 33.

При погружении деталей можно руководствоваться следующими положениями (рис. 33);:

а) длинные детали (сверла, развертки, протяжки) погружать в строго вертикальном положении;

б) детали, имеющие вогнутую поверхность, погружать в закалочную среду вогнутой поверхностью вверх, так как в противном случае образуется паровой мешок и в этом месте деталь не закалится;

в) детали, имеющие толстую и тонкие части, погружать в закалочную среду толстой частью;

г) тонкие и плоские детали погружать узкой стороной.

В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступеньчатую и изотермическую, а в зависимости от метода нагрева —закалку с нагревом в печах, токами высокой частоты, газовым пламенем и в электрических печах. Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения. Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.

Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения (точка М н) для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Второй охлаждающей средой является воздух. При этом аустенит переходит в мартенсит. Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей (сечением 8—10 мм) из углеродистой стали и для деталей (сечением до 30 мм) из легированной стали.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали.

Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.

Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, т. е. сочетание высокой вязкости с прочностью.

Светлая закалка стальных деталей при любой разновидности процесса закалки производится в специально оборудованных печах с применением защитных сред или в ваннах с расплавленными слоями. Ванны для нагрева деталей под закалку обычно делают из хлористого натрия при температуре на 30—50° С выше температуры точки
Ас 1 _ 3 .

Охлаждение деталей производят при температуре 180—200° С в ванне, состоящей из 75% едкого кали и 25% едкого натра, с добавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Такая смесь обладает очень высокой закаливающей способностью.

После светлой закалки поверхности детали приобретают светлый серебристо-белый цвет. В этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Каждый сплав имеет свой уникальный состав. Что же касается такого материала как сталь, то известно, что он содержит в себе железо и углерод в определенных пропорциях. Каждая марка стали имеет своё уникальное название, в котором зашифрован её химический состав и физические характеристики. Сталь 45 - не исключение. В данной статье рассмотрим этот популярный сплав более подробно.

Химический состав

Каждый, кто имеет дело со сплавами, знает, что элементы, которые входят в их состав влияют на их характеристику. Сталь 45 - конструкционная углеродистая качественная. Из названия становится понятным, что в её состав входит углерод - 0,45%. Большая часть, конечно же, приходится на железо - 97%. В остальные же 2,55 % входят такие химические элементы, как марганец (0,7%), кремний (0,2-0,3%), никель (0,25%), хром (0,25%), медь (0,25%), мышьяк(0,08), сера(0,04) и фосфор(0,035%). Каждый из 45. Например, марганец присутствует практически во всех марках стали. Он удаляет из неё кислород и уменьшает содержание серы. Кремний влияет на закаливаемость стали. Кроме того, он увеличивает предел текучести и упругости.

Углерод и его влияние на свойства стали

Одним из самых важных компонентов, который упрочняет этот сплав и придает ему твердость, является углерод. Кроме этого, он снижает пластичность и вязкость. Влияние углерода на характеристику стали 45 хорошо видно на диаграмме состояний. От структуры сплава и будут завесить его свойства. Так, например, при перлитной лучше поддается обработке и свариванию. Ферритная структура характеризуется незначительной твёрдостью и высокой пластичностью. Аустенит в сталях всегда жидкий и при его охлаждении может значительно меняться положение зерен углерода в кристаллической решетке.

Структура стали 45

Так, цементит - это химическое соединение Fe 3 C, а кроме него, в стали также присутствует и феррит (С). Вместе они образуют еще одну структуру - перлит. Поскольку содержание углерода ниже 0,8%, то такая сталь считается доэвтектоидной. И для того чтобы улучшить её свойства, её необходимо закалить или отжечь. Это достигается путем её нагрева, при котором она переходит в аустенитное состояние. Критические точки для этого сплава: АС 1 =725 °С, АС 3 =770°С. При нагреве его до 700°С, никаких заметных изменений не произойдет.

Рассмотрим диаграмму состояний стали 45 более подробно.

Так, поскольку в сплаве присутствует 0,45% углерода, на нижней горизонтальной линии, необходимо найти это значение. Поднимаясь, вверх от него можно проследить за всеми превращениями в стали. Так, при нагреве выше линии АС - сплав будет находиться в жидком состоянии.

Затем при понижении температуры атомная решетка железа перестроится из гранецентрированной в объемно-центрированную и соответственно в ней будет преобладать феррит. Большое количество углерода будет постепенно преобразовываться с аустенита в перлит. Конечная структура сплава будет зависеть и от того, каким образом сталь охлаждали после закалки.

Термическая обработка

Если данный сплав не подвергают термической обработке, в его структуре преобладает цементит и феррит, а значит, его невозможно механически обработать. Внутреннее напряжение между атомами этого сплава будет настолько высоким, что при фрезеровании и точении он будет трескаться. Для того чтобы этого избежать применяют термическую обработку. Она может состоять из нескольких процессов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Сама же термическая обработка будет зависеть от вида изделия (поковка, прокат) и от его технического назначения.

Взглянув еще раз на диаграмму состояний, можно сделать вывод, что 850 °С - это оптимальная температура для закалки. Именно в этой точке для стали с содержанием углерода 0,45% происходит переход в аустенитное состояние.

Поэтому чаще всего закалка стали 45 производится при температуре 850 °С, а отпуск - 550 °С. В таком случае сплав будет обладать пределом прочности - 900 МПа, пределом текучести - 800 МПа, ударной вязкостью - 1,2 МДж/м2, относительным сужением - 65% и твердостью 260. Если повысить температуру отпуска, то предел прочности, текучести и твердость понизятся, а остальные значения, наоборот, увеличатся.

Физические свойства

Как уже было сказано ранее, характеристики сплава в целом будут зависеть от 45. Сам по себе феррит мягкий и достаточно пластичный, а перлит является твердым, но более хрупким. Так, перлитная структура выглядит, как слоеное тесто. Кристаллы мягкого феррита чередуются с твердым цементитом. Последние, придают перлиту износостойкость и твердость. Исходя из этого, можно сделать вывод, что при повышении содержания углерода, увеличивается и объем, который занимает перлит и, конечно же, улучшаются свойства сплава.

В общих чертах можно сказать, что сталь 45 является достаточно прочной, выносливой и хорошо поддается механической обработке. Из недостатков можно выделить плохую свариваемость и подверженность коррозии. Детали из стали 45 устойчивы к износу и могут выдержать перепады температур от 200 до 600 °С. Более подробные сведения о физических и механических свойствах можно увидеть в следующей таблице.

Как и для любой другой стали, для этой перед механической обработкой необходимо делать расчет В них нужно обязательно выбрать правильный режущий инструмент, скорость вращения шпинделя и, конечно же, рассчитать подачу. Несмотря на то, что сталь 45 хорошо поддается механической обработке, при неправильном выборе режимов резания, возможны такие проблемы, как слишком горячая, отлетающая стружка, произвольное уменьшение оборотов шпинделя. Кроме того, для такого вида механической обработки как точение, для этого сплава рекомендуется применять охлаждающую жидкость.

Большое значение имеет и выбор режущего инструмента. Его необходимо выбирать согласно твердости стали 45. Например, отлично подойдет резец Т15К6 и другие со схожими свойствами.

Область использования

Исходя из характеристики стали 45, можно сделать вывод, что сплав находит широкое применение в металлургической промышленности. Так, из него изготавливают шпиндели, цилиндры, кулачки и самые разнообразные валы. Именно эти детали должны обладать повышенной прочностью. Различные предприятия изготавливают форму, сортамент и размеры, которые определяются ГОСТами. Сталь 45 относится к трудно свариваемым сплавам, поэтому большая часть сортамента производится в качестве бесшовных труб.