Термообработка стали 45, 40х, 20, 30хгса, 65г, 40, 40хн, 35, и стали 20х13. Сталь 45 закалка


Закалка стали 45 (термообработка) - твердость

Слово «термообработка» для обывателей не ново. Все прекрасно понимают, для чего она необходима. Повышение прочности стали. Но почему так происходит? Какие процессы протекают в металле в этот момент? Большинство пожимает плечами. Если Вы хотите понять, что такое термообработка, узнать в чем разница между отжигом и отпуском, и почему закалка стали 45 производится в масле, а не в воде, то тогда эта статья для Вас.

 

Общие сведения о термической обработке

Термообработка – это последовательность процессов нагревания, выдержки и охлаждения, направленных на изменение сталью механических свойств.

Улучшения свойств металла происходит за счет трансформации внутренней структуры. После осуществления термической обработки сталь может находиться в 2-х состояниях: устойчивом и неустойчивом.

Устойчивое состояние характеризуется полным завершением всех протекающих процессов в стали. Неустойчивое, соответственно, наоборот, когда на сталь еще воздействуют факторы, мешающие стабилизации внутренних напряжений. Ярким примером является химическая неоднородность закаленной стали.

Повышение теплового движения молекул способствует ускорению выхода стали из неустойчивого состояния. Достигается это путем нагрева.

Для большего понимания процессов, происходящих в стали во время термообработки, введем несколько понятий о структуре металла. Под этим понимается размер внутренних зерен и их положение относительно друг друга. Каждой структуре соответствует определенная температура и определенное содержание углерода.

Основные их виды и свойства, которыми они обладают:

  • Феррит – твердый раствор железа с углеродом и небольшой долей других химических элементов. Ферромагнитен. Ферритная сталь обладает высокой тепло- и электропроводимостью. Пластична. Твердость порядка 70-140 единиц по шкале Бринелля.
  • Цементит – неустойчивое соединение углерода с железом. Очень тверд и хрупок (НВ 790-810). Не поддается намагничиванию.
  • Перлит – фазовый раствор феррита и цементита. На его механические свойства в первую очередь оказывает влияние расстояние между фазами. Чем они ближе, тем сталь прочнее. Твердость находится в пределах 160-230 НВ, при относительном удлинении 9-12%.
  • Мартенсит – перенасыщенная физико-химическая смесь углерода и железа. Значение его механических характеристик зависит от количества углерода в составе. Мартенситная сталь с концентрацией 0,2% С обладает твердостью около 35 HRC. При 0,6% твердость составляет 60 HRC.
  • Аустенит – твердый раствор углерода в железе. Аустенитная сталь парамагнитна и пластична. Относительное удлинение составляет 42%.

Сам процесс термообработки включает в себя:

  • Закалка.
  • Отжиг.
  • Нормализация.
  • Отпуск.

Отжиг

Процесс отжига состоит из нагревания, выдержки и медленного охлаждения в печной среде.

Существует две его основные разновидности:

  • Отжиг первого рода, при котором структура в сталях не претерпевает изменений.
  • Отжиг второго рода, сопровождающийся трансформациями структурных зон.

Каждая из представленных видов термообработки имеет определенное назначение.

 

 

Отжиг первого рода выполняет следующие технологические задачи:

  • Выравнивание химсостава стали. При обработке металла давлением ликвация становится причиной образования изломов и микротрещин. Для уменьшения их вероятности появления сталь нагревают до 1250 ºС и выдерживают ее при такой температуре на протяжении 8-15 ч.
  • Увеличение обрабатываемости стали давлением. Термообработка проходит при 670 ºС с выдержкой 40-120 мин. Отжиг увеличивает зерна феррита, что положительно влияет на пластичность.
  • Уменьшение остаточных напряжений, возникших после технологической обработки сталей: резание, сварка и прочее. Для этого сталь выдерживают при 500-620 ºС на протяжении двух часов.

Отжиг второго рода измельчает зерна стали и способствует образованию структуры феррит+перлит. Как результат, происходит увеличение механических свойств. Температура нагрева для стали 45 составляет 780-830 ºС.

Отжиг второго рода считается подготовительной термообработкой. Его проводят перед операциями резания для повышения обрабатываемости металла.

Нормализация

Это процесс нагревания стали и последующее охлаждение на воздухе, в результате которого происходит измельчение крупнозернистой структуры.

Если сравнивать с отжигом, то нормализация дает в среднем на 10% выше показатель вязкости и прочности. Причина этого кроется в охлаждении на воздухе, которое способствует разложению аустенитных фаз в нижней зоне температур. Как следствие, наблюдается увеличение перлита, что и является причиной повышения механических свойств.

Нормализация - альтернатива закалке и высокому отпуску. Конечно, на выходе механические свойства получаются ниже, но и сама нормализация менее трудоемка. К тому же, по сравнению с закалкой она вызывает меньшие тепловые деформации детали.

Отпуск

Это термообработка, которая всегда проводится на заключительном этапе. Она включает в себя нагревание закалённой стали до температурной точки трансформации перлита в аустенит и дальнейшее ее охлаждение. С его помощью механические характеристики сталей доводятся до требуемых значений.

Помимо этого, в задачу отпуска входит снятие напряжений, оставшихся после закалки.

Отпуск подразделяется на 3 типа по температуре нагрева:

  • Низкий отпуск. Проводится при 230-260 ºС. Способствует упрочнению с одновременным снижением внутренней напряженности. Закаленная сталь 45 после низкого отпуска обладает твердостью 55-60 HRC.
  • Средний отпуск. Температура нагревания 340-550 ºС. Позволяет достичь наиболее высокого значения упругих свойств. Из-за этого в основном применяется при изготовлении пружин. Твердость находится на уровне 45-52 HRC.
  • Высокий отпуск. Выполняется при 550 ºС. Снимает внутренние напряжения после закаливания.

Механические свойства уменьшаются, но значение их при этом не меньше, чем после нормализации и отжига. Также происходит увеличение ударной вязкости. Самой оптимальной термообработкой с точки зрения соотношения вязкости и прочности считается закалить сталь, а после провести высокий отпуск.

Закалка

Представляет собой процесс нагрева  до температуры на 20-40 ºС выше точки растворения феррита в аустените и последующее быстрое охлаждение в воде или масле.

Образование значительных внутренних напряжений при закалке не позволяет ей быть окончательной термообработкой. Обычно за ней следует отпуск или нормализация.

 

 

В результате нагрева сталь получает аустенитную структуру, которая, охлаждаясь, переходит в мелкоигольчатый мартенсит.

Закалка стали 45 осуществляется при 840-860 ºС.

Если сталь закалить, не достигнув значения требуемой температуры, то в результате останутся ферритные зоны, чье присутствие значительно снижает прочность металла.

Если сталь 45 закалить при температуре выше 1000 ºС, это спровоцирует увеличение зерна мартенсита, что влечет за собой ухудшение вязкости и повышение риска образования трещин.

Нагрев сталей под закалку осуществляется в электропечах периодического или непрерывного действия.

Время нагрева зависит от:

  • Химсостава стали.
  • Формы и габаритов деталей.

Чем больше размеры и содержание углерода, тем большее количество времени необходимо для нагрева стали.

После нагревания стали идет ее выдержка при заданной температуре. Это необходимо для выравнивания неоднородности аустенита.

При сильном перегреве сталь начинает вступать в реакцию с печными газами. Это может повести за собой процессы окисления и обезуглероживания.

Окисление – химический процесс взаимодействия кислорода с железом. Оно отрицательно сказывается на свойствах стали, является причиной снижения качества поверхности и окалин.

Обезуглероживание возникает как следствие химической реакции углерода с водородом и кислородом. Как следствие, образуя такие соединения как угарный газ и метан. Полученные газы уносят вместе с собой с поверхности стали молекулы углерода, вызывая тем самым резкое снижение прочности.

Защитой стали от окисления и обезуглероживания служит осуществление нагревания в вакууме или расплавленной соли.

В качестве закалочных сред применяется вода или масло.

Вода обладает большой скоростью охлаждения, но она резко падает при увеличении температуры. Также недостатком воды является возникновение значительных напряжений и, соответственно, коробление деталей.

Масло в этом плане охлаждает более равномерно, что уменьшает риск образования микротрещин при закалке. Среди ее недостатков стоит отметить низкую температуру воспламенения и загустение, что уменьшает ее закалочные свойства.

Разная сталь имеет разную закаливаемость, т.е. способность увеличивать прочность посредством закалки. Как правило, чем выше концентрация углерода, тем выше закалочные свойства.

Закалка ТВЧ

Если сталь закалить таким образом, то она будет лучше справляться с переменной и ударной нагрузкой. Закалка ТВЧ считается разновидностью поверхностной закалки, основная задача которой получение более прочного наружного слоя, сохраняя при этом вязкость сердцевины. 

Нагрев под закалку ТВЧ осуществляют в индукционных печах, используя ток высокой частоты. Принцип данной термообработки заключается в неравномерном нагреве сечения изделия. Плотность тока на наружней части стали значительно выше в сравнении с сердцевиной. Основная часть тепла приходится на поверхность, соответственно, именно в этой зоне и происходит упрочнение.

Охлаждение осуществляется непосредственно в печи специальными распрыскивающими устройствами. После закалки обычно требуется отпуск для выравнивания тепловых напряжений.

Структура стали в результате всех этих операций получается неоднородной. Верхний закалённый слой полностью состоит из мартенсита, а нетронутая сердцевина из феррита. Прочность глубинного слоя повышается предварительным проведением нормализации.

Преимущества закалки ТВЧ:

  • Повышенная производительность.
  • Сталь изолирована от влияния окисления и обезуглероживания.
  • Возможность регулировать толщину закаленного слоя. Чем частота токов выше, тем глубина закалки меньше.
  • Автоматизация процесса.
Оцените статью:

Рейтинг: 5/5 - 3 голосов

prompriem.ru

Термообработка стали 45

Закалка стали 45

Термообработка стали 45, так же как и термическая обработка любой другой марки стали выполняется для улучшения технических характеристик данного материала. Такая обработка подразумевает первоначальный нагрев металла и последующее его охлаждение. Собственно, в зависимости от времени нагрева материала и скорости охлаждения, термообработка стали 45 и других марок подразделяется на 3 последовательно выполняемых операции:

  1. Отжиг стали 45
  2. Закалка стали 45
  3. Отпуск стали 45

Отжиг стали 45 — это нагрев материала в специальной печи до очень высокой температуры и последующее его охлаждение, которое выполняется естественным образом, то есть вместе с печью. Существует отжиг первого рода, при котором нагрев идет до критических значений, но не превышает их. Также существует и отжиг второго рода, при котором температура уже превышает критическую отметку и приводит к некоторым изменениям в структуре.

Этапы термообработки стали 45

Так или иначе, любой из данных способов позволяет избавиться от неоднородности состава, а также снять внутреннее напряжение материала и достичь зернистой структуры. Кроме того, проведение отжига стали 45 поможет снизить твердость сплава, что значительно облегчит в дальнейшем процесс переработки. Примечательно, что отжиг второго рода подразделяется на несколько следующих категорий, различающихся по их назначению и исполнению:

  • диффузионный отжиг
  • полный отжиг
  • неполный отжиг
  • изотермический отжиг
  • рекристализационный

Как правило, для углеродистых сталей применяется полный отжиг. Суть данной технологии состоит в том, что заготовки нагреваются до температуры, которая превышает критическую отметку (верхняя точка Ас3) примерно на значение от +30°С до +50°С. После этого сталь 45 охлаждают с медленной скоростью от +150°С до +200°С до тех пор, пока ее температура не сравняется со значением температуры в рабочем интервале от +500°С до +550°С.

Кстати говоря, при отжиге первого и второго рода охлаждение материала происходит в печи, в которой был произведен нагрев. Если же процесс охлаждения производят уже на открытом воздухе, то такая технология будет называться не отжиг стали 45, а нормализация. Поскольку при нормализации стали охлаждение происходит быстрее, перлит получает тонкое строение и наибольшую твердость. Поэтому нормализованная сталь тверже отожженной.

Закалка стали 45

Закаливание стали 45

В целом, отжиг стали или же ее нормализация являются подготовкой сплава к последующим процессам термообработки. Вторым по счету процессом обработки идет закалка стали 45. С виду может показаться, что этот этап полностью дублирует отжиг и нормализацию: Закалка стали 45 также состоит из двух основных технологических операций: нагрева и охлаждения. Однако у него имеются свои довольно важные отличительные характеристики.

Если быть точнее, то этой важной отличительной чертой будет скорость охлаждения стали. В случае с закалкой стали 45 заготовка сперва нагревается до температуры, которая превышает критическую. После этого сталь будет сразу же охлаждена в специальной жидкости. В роли такой жидкости может выступать чистая вода, вода с растворами солей, вода с содержанием в составе 5%-й каустической соды, либо же различные минеральные масла (рис. 1)

Среды для охлаждения стали после закалкиРисунок 1

Закалка стали 45 в воде производится при температуре жидкости от +20°С до +30°С. Если в качестве закалочной среды используют раствор каустической соды, то его температура будет составлять от +50°С до +60°С. Температура закалки стали 45, при которой этот материал помещают в охлаждающую жидкость, составляет от +820°С до +860°С. Визуально подобные температуры соответствует диапазону от светло-красного до темно-оранжевого цвета.

Нагрев стали до этих значений обычно выполняется в специальных печах. Но в некоторых случаях также применяется закалка стали 45 токами высокой частоты (ТВЧ). Между этими двумя методами существует разница во времени выдержки заготовки. Это обусловлено тем, что данные установки имеют различные режимы нагрева. При этом с помощью ТВЧ сталь 45 будет нагрета за более быстрый промежуток времени в сравнении с обычной печью.

Устройство для нагрева стали

Температура нагрева стали

Печь

От +820°С до +860°С

ТВЧ

От +880°С до +920°С

Несмотря на то, что при использовании ТВЧ нагрев стали 45 нужно выполнять до чуть более высоких температур, как такового перегрева материала не происходит. Размер и структура у зерна остается прежним, так как для нагрева через ТВЧ требуется намного меньше времени. Кстати говоря, с помощью проведения закалки токами высокой частоты, твердость стали 45 возрастает по шкале Роквелла (HRC) возрастает приблизительно на 2-3 единицы.

При нагреве стали 45 до температуры, превышающей критическое значение на отметку в +30°С — +50°С, материал достигнет своего аустенитного состояния. Иначе говоря, атомная решетка железа (Fe) изменит объемно-центрированной вид на решетку гранецентрированной формы. Углерод (С), содержащийся в перлите как кристаллы соединения Fe3C (цементита) примет вид твердого раствора — атомы внедрятся в гранецентрированную решетку.

После помещения раскаленного материала в охлаждающую ванну для закалки, температура стали 45 очень быстро понижается до значения комнатной от +20°С до +25°С. Само собой, в связи с этим в структуре сразу происходит процесс обратной перестройки атомной решетки металла — из гранецентрированной она возвращается в исходную объемно-центрированную. Именно это и придает итоговому материалу высокую твердость и прочность.

Дело в том, что при комнатной температуре рабочей среды атомы будут иметь крайне малую степень подвижности. Поэтому при резком охлаждении они попросту не успевают выйти из состояния раствора и образовать цементит. Получается, что сам углерод силой удерживается в решетке железа, тем самым образовывая перенасыщенный твердый раствор. В решетке при этом создается избыточное внутреннее напряжение от атомов углерода.

Они попросту распирают решетку, за счет чего она вытягивается вдоль одного направления. Таким образом, все ячейки из кубической формы переходят в тетрагональную. Иначе говоря, ячейки решетки образуют форму прямоугольной призмы (рис. 2). Естественно, это влияет на структуру материала, которая становится игольчатой. Подобную игольчатую конфигурацию у материала принято называть специальным термином — мартенсит.

Атомная решетка тетрагонального мартенситаРисунок 2

Сами кристаллы мартенсита имеют вид пластин с небольшой толщиной. Если рассматривать данные пластины в поперечном сечении микрошлифа, то они будут иметь форму игл. Кстати, раствор мартенсит отличается достаточно высокими показателями по твердости и прочности. В первую очередь, это объясняется тем, что удельный объем мартенсита будет чуть больше в сравнении с удельным объемом аустенита, из которого он образован.

Это объясняется тем, что образование самого мартенсита обуславливается возникновением в кристаллах мартенсита множества дислокаций, которые образуются за счет большого числа внутренних напряжений. Напряжения вызваны тем, что возникающая пластина мартенсита воздействует на аустенит, который, в свою очередь, отвечает уже обратным сопротивлением к мартенситу, создавая тем самым ответное давление к данной пластине.

Таким образом, при попытке деформировать закаленную сталь с мартенситной структурой, можно встретить серьезное препятствие. Этим препятствием будут движущиеся в различных направлениях дислокации, которые взаимно блокируют друг друга, не давая перемещаться. Именно эти препятствия передвижения дислокаций увеличивают сопротивление деформации материала, соответственно, увеличивая степень твердости и прочности.

Кроме того, с учетом воздействия внутренних напряжений, кристаллы мартенсита образуют раздельные блоки (рис. 3). При этом те плоскости, которые должны быть параллельными в пределах одного кристалла, на самом деле имеют искажение под небольшим углом. Но такие искажения у атомной решетки как раз и оказывают препятствие к перемещению дислокаций. За счет этих особенностей мартенсита сталь и имеет высокую прочность.

Блоки мозаик в мартенситном кристаллеРисунок 3

Отпуск стали 45

Отпуск стали 45

Отпуск стали 45 производят сразу после этапа закалки. Эта разновидность термообработки нужна для того, чтобы существенно уменьшить или полностью снять остаточное напряжение в материале, которое появилось после изменения структуры посредством его закаливания. В целом, отпуск стали 45 позволяет также повысить вязкость заготовок и уменьшить степень их хрупкости. Однако этот процесс немного уменьшает твердость стали.

Технология процесса отпуска стали 45, в зависимости от температуры, выполняется через:

  • печи с принудительной циркуляцией воздуха;
  • специальные ванны с селитровым раствором;
  • специальные ванны с минеральным маслом;
  • ванны, заполненные расплавленной щелочью.

Принцип отпуска стали 45 состоит в том, что материал первоначально нагревают до отметки ниже, чем критический уровень, а после этого охлаждают. Однако такой режим термической обработки имеет несколько различных способов проведения, которые будут отличаться друг от друга в зависимости от скорости охлаждения заготовки и температуры её нагрева. Отпуск углеродистых сталей принято классифицировать на 3 следующие категории:

  1. Высокий. Температура нагрева стали составит от +350°С до +600°С до критической отметки. Как правило, такой метод используют для металлических конструкций.
  2. Средний. Температура обработки составляет от +350°С до +500°С. Этот способ по большей части используется для пружинных изделий и рессор.
  3. Низкий. Температура нагрева заготовки не превышает +250°С. Подобный способ принято задействовать для достижения высокой прочности и износостойкости.

 Таблица значений термической обработки стали 45

Марка стали

Твёрдость (HRC)

Температура закалки, °С

Температура отпуска, °С

Температура закалки ТВЧ, °С

Температура отжига, °С

Среда закалки

Сталь 45

20…25

820…860

550…600

 

 

Вода

20…28

550…580

 

 

24…28

500…550

 

 

30…34

490…520

 

 

42…51

180…220

 

 

49…57

200…220

880…920

 

До 22

 

 

780…860

 

s-agroservis.ru

Закалка и отпуск стали 45: твердость, HRC, режимы, технология

Обработка стали, осуществляемая в процессе термообработки, является одной из важнейших операций в металлургической отрасли и машиностроении. При соблюдении технологии PC 45 изделие приобретает достаточную прочность, значительно расширяя область использования изготовляемых изделий. При необходимости можно осуществлять закалку изделия из стали, в домашних условиях строго соблюдая технологию. При закалке лезвия ножа в домашних условиях вполне допустимо добиться повышения прочностных характеристик изделия в 3-4 раза.

Закалка стали 45

Структурные изменения металла

При нагревании конструкционной специальной стали 45 до аустенитного уровня, происходит изменение состояния структурной решетки железа с переходом из объемно-центрированной в гранецентрированную структуру. Осуществляется перемещение углерода входящего в перлит и представляющего собой мельчайшие кристаллы Fe3C (цементита) в гранецентрированную измененную решетку железа.

Структура стали 45 после отжига и закалки

Структура стали 45 после отжига и закалки

В ходе охлаждения происходит быстрое снижение температуры обрабатываемой стали, но из-за замедления скорости перемещения атомов углерода они остаются внедренными в новую решетку железа, образуя твердую пересыщенную структуру, имеющую внутреннее напряжение. Решетка преобразуется в тетрагональную с ориентацией в одном направлении.

Происходит образование игольчатых мелких структур имеющих название мартенсит. Данный вид кристаллов придает металлу высокую прочность, твердость и улучшенные характеристики. Происходит образование одновременно двух видов кристаллов аустенита и мартенсита, которые воздействуют друг, на друга создавая внутреннее избыточное напряжение. При активном влиянии на металл внешних сил происходит взаимная компенсация двух видов кристаллов, придавая структуре прочность.

Термическая обработка металла

Для изменения характеристик стали производится термическая обработка с соблюдением необходимых режимов воздействия.

Процесс термической обработки состоит из процессов:

  • отжига;
  • нормализации;
  • старения;
  • закалки и отпуска.
Режимы термообработки стали 45

Режимы термообработки стали 45

Закалка и отпуск стали во многом зависят от ряда факторов:

  • температурного режима;
  • скорости повышения температуры;
  • временного промежутка воздействия на металл высоких температур;
  • процесса охлаждения (скорости изменения температуры охлаждения среды или жидкости).

Закалка стали

Процесс закалки стали заключается в проведении термообработки заготовок с нагреванием до температуры выше критической с дальнейшим ускорением охлаждения. Данное состояние способствует повышению прочности и твердости (HRC) стали с одновременным снижением пластичности и улучшением потребительских характеристик.

Режим воздействия температуры охлаждения металла зависит от количества содержания углерода и легирующих присадок в стали.

После проведения закалки стали заготовки покрываются налетом окалины и частично теряют содержащийся углерод, поэтому технология обязательно должна соблюдаться согласно установленному регламенту.

Охлаждение металла должно проходить быстро, для предотвращения преобразования аустенита в сорбит или троостит. Охлаждение должно производиться точно по графику быстрое остывание заготовок, приводит к образованию мелких трещин. В процессе охлаждения от 200 °C до 300 °C происходит искусственное замедление при постепенном остывании изделий для этого, могут использоваться охлаждающие жидкости.

Закалка стали с помощью ТВЧ

При проведении поверхностной закалки с помощью ТВЧ процесс нагрева изделий осуществляется до более высокой температуры.

Это вызвано двумя факторами:

  1. Нагрев осуществляется за короткое время с ускоренным изменением и переходом перлита в аустенит.
  2. Реакция перехода должна осуществляться в сжатые сроки за небольшой промежуток времени при высокой температуре.
Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)

Процессы, протекающие при обычной закалке в печи с использованием ТВЧ, имеют различные характеристики и ведут к изменению твердости (HRC) заготовок:

  1. При нагреве в печи скорость составляет, 2-3 °С/сек до 840 – 860 °С.
  2. С использованием ТВЧ – 250 °С/сек до температуры 880 – 920 °С или в режиме при 500 °С/сек – до 980 – и 1020 °С.

Нагрев деталей при использовании ТВЧ осуществляется до более высокой температуры, но перегрева заготовки не происходит. В процессе обработки с применением ТВЧ время операции нагрева значительно сокращается, что способствует сохранению размера и структуры зерна. В ходе выполнения операции закалки ТВЧ твердость металла ( HRC) возрастает на 2-3 един. по Роквеллу.

Процесс нагрева

Заготовки из стали нагреваются в печах. При нагреве инструмента используется предварительный подогрев отдельных частей с использованием

  • печей с температурой рабочей среды от 400 °С до 500 °С;
  • в специальных соляных ваннах с погружением на 2-4 сек. 2-3 раза.

Обязательно должно соблюдаться условие равномерного прогрева всего изделия. Строго выдерживаться условие одновременного помещения деталей в печь с соблюдением времени нагрева деталей.

Применение защитных мер

В процессе термической обработки происходит постепенное выгорание углерода и образование налета окалины. Для предотвращения ухудшения качества металла и его защиты используются защитные газы, которые закачиваются в ходе процесса закаливания. В печь имеющую герметичную камеру, где происходит термообработка с помощью специального генератора, закачивается газ аммиак или метан.

При отсутствии герметичных печей операции обработки производятся в специальной герметичной таре, куда предварительно засыпается чугунная стружка для предотвращения выгорания углерода.

При обработке заготовок в соляных ваннах металл защищен от окисления, а для создания необходимых условий для сохранения уровня углерода содержание ванной 2-х кратно в течение суток раскисляется борной кислотой, кровяной солью или бурой. При температуре обработки в диапазоне температур 760-1000 °С в качестве раскислителя может использоваться древесный уголь.

Использование специальных охлаждающих жидкостей

В ходе проведения технологического процесса для охлаждения деталей в основном используется вода. Качество охлаждающей жидкости можно изменить, добавив соду или специальные соли, что может повлиять на процесс охлаждения заготовки.

Для сохранения процесса закалки категорически запрещается использовать содержащуюся в нем воду для посторонних операций. Вода должна быть чистой и иметь температуру от 20 до 30 °С. Запрещено использовать для закалки стали проточную воду.

Состав смесей солей и щелочей, применяемых в качестве закалочных сред

Состав смесей солей и щелочей, применяемых в качестве закалочных сред

Данный способ закалки применяется только для цементированных изделий или имеющих простую форму.

Изделия, имеющие сложную форму, изготовленные из конструкционной специальной стали охлаждаются в 5% растворе каустической соды при температуре 50-60 °С. Операция закалки, проводится в помещении, оснащенном вытяжной вентиляцией. Для закалки заготовок выполненных из высоколегированной стали применяют минеральные масла, причем скорость охлаждения в масленой ванне не зависит от температуры масла. Недопустимо смешивание масла и воды, что может привести к появлению трещин на металле.

При закалке в масляной ванне необходимо выполнять ряд правил:

  1. Остерегаться воспламенения масла.
  2. При охлаждении металла в масле происходит выделение вредоносных газов (обязательно наличие вытяжной вентиляции).
  3. Происходит образование налета на металле.
  4. Масло теряет свои свойства при интенсивном использовании для охлаждения металла.

При проведении процесса закалки стали 45 необходимо соблюдать технологический процесс с соблюдением всех операций.

Отпуск стали 45

Технологический процесс отпуска стали проводится в зависимости от необходимой температуры:

  • в печах с принудительной циркуляцией воздуха;
  • в специальных ваннах с селитровым раствором;
  • в ваннах с маслом;
  • в ваннах заполненных расплавленной щелочью.

Температура для проведения процесса отпуска зависит от марки стали, а сам процесс изменяет структуру и способствует снижению напряжения металла, а твердость снижается на малую величину. После проведения всех операций заготовка подвергается техническому контролю и отправляется заказчику.

При закалке и отпуске металла в домашних условиях необходимо строго соблюдать технологию и технику безопасности проведения работ.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 

stankiexpert.ru

Закалка стали 45 - технология, методы, особенности, твердость

Термообработка представляет собой одну из необходимых и важных операций в процессе обработки стали. Ее широко использует металлургия и машиностроение. Технология термообработки стали 45 обеспечивает достижение высоких характеристик прочности. Это обстоятельство позволяет значительно расширить область применения обработанных подобным способом деталей. При использовании технологии закалки стали 45 твердость изделий становится существенно выше.

Термообработка

Особенности термообработки

Закалка стали 45 – метод, широко используемый в металлургии и машиностроении. Но как закалить сталь 45, чтобы получить ожидаемый результат? Чтобы изменить характеристики, необходимо провести термообработку. При этом должны соблюдаться определенные режимы воздействия. Этот процесс схематично можно представить следующими процессами:

  • Отжиг.
  • Нормализация.
  • Старение.
  • Закалка и отпуск.

Качество стали 45 при термообработке зависит от ряда факторов.

  • Температурный режим.
  • С какой скоростью повышается температура.
  • Промежуток времени, в течение которого на металл воздействует высокая температура.
  • С какой скоростью происходит процесс охлаждения.

Термическая обработка состоит в нагревании детали до заданной температуры. Охлаждают ее с той же либо несколько иной скоростью. Железоуглеродистые сплавы характеризуются превращениями при нагревании их до определенных температур. Они носят название критических точек. Эти превращения сопряжены с кристаллизационным характером. При закалке стали 45 твердость изделий значительно повышается.

Химический состав

Что для стали означает номер 45? Это говорит о том, что в данном сплаве содержится 0,45% углерода. Остальные примеси представлены в незначительном количестве. Среди основных ее заменителей можно выделить сталь 40 и 50. Их также характеризует высокая прочность. Если рассматривать химические соединения, входящие в состав стали в процентном отношении, то наибольшая доля приходится на железо. У него этот показатель достигает 97%. В различных количествах входят и другие химические элементы. Самый низкий показатель у фосфора. В ней его содержится всего 0,035%.

Структурные изменения металла

В исходном состоянии структура представляет собой две фазы, которые смешаны между собой – феррит и цементит. Если медленно нагревать до незначительных температур, то никаких изменений в ней не произойдет. Если вести дальнейшее нагревание, феррит растворится в аустените. При нагреве выше критической температуры, структура их примет однородный характер.

Атомная решетка железа имеет объемно-центрированный характер. При сильном нагревании она становится гранецентрированной по типу. До нагревания углеродные атомы входят в перлит (кристаллы цементита), после этого он примет иное состояние и станет твердым раствором. В этом случае его атомы окажутся в решетке железа. При резком охлаждении, например, при помощи воды, ее можно закалить.

В таком состоянии она приобретет величины, характерные для комнатной температуры. Казалось бы, все перестроится в обратном порядке. Но подобные температурные параметры не придадут углеродным атомам выраженной мобильности. Скорость в этом случае настолько незначительная, что атомы просто не успевают выйти из раствора, когда имеет место быстрое охлаждение. Они остаются в структуре решетки. При этом возникает сильное внутреннее напряжение металла. Использование закаленной стали существенно увеличивают возможность применения деталей, материалом для изготовления которых явилась именно такая сталь.

структура

Закалка

Термообработка стали 45 предполагает нагрев выше критической температуры. В дальнейшем проводится ускоренное охлаждение, проще говоря, осуществляется закаливание. После этого закаленный материал приобретает повышенную прочность и твердость. Температурный режим при закалке стали 45 определяется тем, сколько углерода и присадок легирующего характера содержится в стали.

Технология должна осуществляться в соответствии с установленным регламентом, поскольку после того, как проведена закалка, на заготовке образуется слой окалины. При этом происходит частичная потеря углерода. Металл должен охлаждаться быстро. Это не даст аустениту преобразоваться с появлением сорбита или троостита. Деталь охлаждается в соответствии с точным графиком. Если он будет нарушаться, будут образовываться мелкие трещины. Охладив деталь до температуры 200-300 градусов, процесс искусственно замедляют. При этом проводят применение охлаждающих жидкостей.

Для нагревания используются специальные печи. Перед этим производят подогрев отдельных частей. При этом проводят использование:

  • печей, где температура 500 градусов;
  • специальных соляных ванн.

Деталь погружается на несколько секунд 2-3 раза. Непременное условие: прогрев всей детали должен осуществляться равномерно. Все заготовки погружаются одномоментно, далее необходима выдержка. Подробнее об этом можно посмотреть в видео.

Закалка с помощью ТВЧ

С использованием ТВЧ температура нагрева более высокая по своим показателям.

Подобное обстоятельство становится возможным благодаря наличию двух факторов:

Нагрев обусловливает ускоренное изменение и переход перлита в аустенит.Процесс происходит в границах сжатых временных рамок. Температура при этом очень высокая о своей величине.Но при этом заготовка не перегревается. При таких операциях характеристики металла, обусловливающие его твердость, становятся больше на 3 единицы по Роквеллу. С помощью такого способа закалить деталь можно весьма основательно.

Испытание твердости, а, следовательно, и закаливаемость деталей, определяют по методу Бринелля.

Отпуск

Этот процесс определяется той температурой, которая необходима. С этой целью используются:

  • печи, имеющие принудительную циркуляцию воздуха;
  • селитровый раствор в специальных ваннах;
  • масляные ванны;
  • ванна, заполненная щелочью.

Температуру отпуска определяет марка стали. Процесс позволяет изменить структуру и снизить напряженность в металле. При этом не наблюдается значительного снижения твердости. Затем заготовка попадает в поле зрения технического контроля, а после этого отправляется заказчику.

отпуск

Меры предосторожности

Подобные операции представляют определенную опасность для жизни и здоровья человека. Электроустановки для нагрева связаны с опасным воздействием электрического тока. Работа с закалочными ваннами связана с выделением в окружающее пространство вредных паров и газов. В этом плане большое значение имеет оборудование и хорошая исправная работа локальных вытяжных вентиляционных систем. Помимо этого, подобные места оборудуются и общеобменной вентиляцией.

Если процесс осуществляется с использованием масла либо керосина, не исключена возможность, что воспламенятся их пары. Надо проводить защиту от химических ожогов. Хранение селитры осуществляется в соответствии с требуемыми правилами. Раствор селитры в расплавленном состоянии не должен быть температурой выше 60 градусов. Цианистые соли фасуются только при наличии местной вытяжной вентиляции. Все работы проводятся только с применением средств индивидуальной защиты. Чтобы не образовывалась ядовитая синильная кислота, нельзя допускать совместное хранение цианистых солей с растворами кислот.

oxmetall.ru

Термообработка стали 45, 40х, 20, 30хгса, 65г, 40, 40хн, 35, и стали 20х13

В машиностроении чаще всего подвергают термообработки сталь 45 (в качестве заменителя 40Х, 50, 50Г2), сталь 40х (в качестве заменителя стали 38ха, 40хр, 45х, 40хс, 40хф, 40хн), сталь 20 (в качестве заменителя 15, 25), сталь 30хгса (заменители 40хфа, 35хм, 40хн, 25хгса, 35хгса), сталь 65г, сталь 40хн, сталь 35, и сталь 20х13, также

Термообработка стали 45

Термообработка стали 45 - конструкционная углеродистая. После предварительной термообработки стали 45 - нормализации, довольно легко проходит механическую обработку. Точение, фрезеровку и т. д. Получают детали, например,типа вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки.После окончательной термообработки стали 45 (закалка), детали приобретают высокую прочность и износостойкость. Часто шлифуются. Высокое содержание углерода (0,45%) обеспечивает хорошую закаливаемость и соответственно высокую твёрдость поверхности и прочность изделия. Сталь 45 калят «на воду». То есть после калки деталь охлаждают в воде. После олаждения деталь подвегается низкотепмературному отпуску при температуре 200-300 градусов Цельсия. При такой термообработки стали 45 получают твердость порядка 50 HRC.

Термообрабтка стали 45 и применение изделий: Кулачки станочных патронов, согласно указаниям ГОСТ, изготовляют из сталей 45 и 40Х. Твёрдость Rc = 45 -50. В кулачках четырёхкулачных патронов твёрдость резьбы должна быть в пределах Rс = 35-42. Отпуск кулачков из стали 45 производится при температуре 220-280°, из стали 40Х при 380-450° в течение 30-40 мин.

Расшифровка марки стали 45: марка 45 означает, что в стали содержится 0,45% углерода,C 0,42 - 0,5; Si 0,17 - 0,37;Mn 0,5 - 0,8; Ni до 0,25; S до 0,04; P до 0,035; Cr до 0,25; Cu до 0,25; As до 0,08.

Термообработка стали 40Х

Термообработка стали 40Х - легированная конструкционная сталь предназначена для деталей повышенной прочности такие как оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и прочих деталей повышенной прочности. Сталь 40Х также часто используется для производства поковок, штампованных заготовок и деталей трубопроводной арматуры. Однако последние перечисленные детали нуждаются в дополнительной термической обработке, заключающейся в закалке через воду в масле или просто в масле с последующим отпуском в масле или на воздухе.

Расшифровка марки стали 40Х. Цифра 40 указывает на то, что углерод в стали содержится в объеме 0,4 %. Хрома содержится менее 1,5 %. Помимо обычных примесей в своем составе имеет в определенных количествах специально вводимые элементы, которые призваны обеспечить специально заданные свойства. В качестве легирующего элемента в данном случае используется хром, о чем говорит соответствующая маркировка.

Термообработка стали 20

Термообработка стали 20 - сталь конструкционная углеродистая качественная. Широкое применение в котлостроении, для труб и нагревательных трубопроводов различного назначения, кроме того промышленность выпускает пруток, лист. Температура начала ковки стали 20 составляет 1280° С, окончания - 750° С, охлаждение поковки - воздушное. Сталь 20 нефлокеночувствительна и не склонна к отпускной способности.После цементации и цианирования из стали 20 можно изготавливать детали, от которых требуется высокая твёрдость поверхности и допускается невысокая прочность сердцевины: кулачковые валики, крепёжные детали, шпиндели, звёздочки, шпильки, вилки тяг и валики переключения передач, толкатели клапанов, валики масляных насосов. Сталь 20 применяют для производства малонагруженных деталей ( пальцы, оси, копиры, упоры, шестерни ), цементуемых деталей для длительной и весьма длительной службы (эксплуатация при температуре не выше 350° С), тонких деталей, работающих на истирание и другие детали автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

Термообработка стали 30хгса

Термообработка стали 30хгса - относится к среднелегированной конструкционной стали. Сталь 30хгса проходит улучшение – закалку с последующим высоким отпуском при 550-600 °С, поэтому применяется при создании улучшаемых деталей (кроме авиационных деталей это могут быть различные корпуса обшивки, оси и валы, лопатки компрессорных машин, которые эксплуатируются при 400°С, и многое другое), рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах.Сталь 30хгса обладает хорошей выносливостью, отличными показателями ударной вязкости, высокой прочностью. Она также отличается замечательной свариваемостью.

Сварка стали 30хгса тоже имеет свои особенности. Она осуществляется с предварительным подогревом материала до 250-300 °С с последующим медленным охлаждением. Данная процедура очень важна, поскольку могут появиться трещины из-за чувствительности стали к резким перепадам температуры после сварки. Поэтому по завершении сварных работ горелка должна отводиться медленно, при этом осуществляя подогрев материала на расстоянии 20-40 мм от места сварки. Также, не более, чем спустя 8 часов по завершении сварки сварные узлы стали 30ХГСА нуждаются в закалке с нагревом до 880 °С с последующим высоким отпуском. Далее изделие охлаждается в масле при 20-50 °С. Отпуск осуществляется нагревом до 400 - 600 °С и охлаждением в горячей воде. Сварку же необходимо выполнять максимально быстро, дабы избежать выгорания легирующих элементов.После прохождения термомеханической низкотемпературной обработки сталь 30хгса приобретает предел прочности до 2800 МПа, ударная вязкость повышается в два раза (в отличии от обычной термообработки стали 30хгса), пластичность увеличивается. 

Термообработка стали 65г 

Термообработка стали 65г - Сталь конструкционная рессорно-пружинная. Используют в промышленности пружины, рессоры, упорные шайбы, тормозные ленты, фрикционные диски, шестерни, фланцы, корпусы подшипников, зажимные и подающие цанги и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости, и детали, работающие без ударных нагрузок. (заменители: 70, У8А, 70Г, 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2, 55С2).

Термообработка стали 40 - Сталь конструкционная углеродистая качественная. Использование в промышленности: трубы, поковки, крепежные детали, валы, диски, роторы, фланцы, зубчатые колеса, втулки для длительной и весьма длительной службы при температурах до 425 град.

Термообработка стали 40хн - Сталь конструкционная легированная Использование в промышленности: оси, валы, шатуны, зубчатые колеса, валы экскаваторов, муфты, валы-шестерни, шпиндели, болты, рычаги, штоки, цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динами ческим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости. Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.

Термообработка сталь 35 - Сталь конструкционная углеродистая качественная. Использование в промышленности: детали невысокой прочности, испытывающие небольшие напряжения: оси, цилиндры, коленчатые валы, шатуны, шпиндели, звездочки, тяги, ободы, траверсы, валы, бандажи, диски и другие детали.

Термообработка стали 20Х13 - Сталь коррозионно-стойкая жаропрочная. Использование в промышленности: энергетическое машиностроение и печестроение; турбинные лопатки, болты, гайки, арматура крекинг-установок с длительным сроком службы при температурах до 500 град; сталь мартенситного класса Сталь марки 20Х13 и другие стали мартенситного класса: жаропрочные хромистые стали мартенситного класса применяют в различных энергетических установках, они работают при температуре до 600° С. Из них изготовляют роторы, диски и лопатки турбин, в последнее время их используют для кольцевых деталей больших толщин. Существует большое количество марок сталей данного класса. Общим для всех является пониженное содержание хрома, наличие молибдена, ванадия и вольфрама. Они эффективно упрочняются обычными методами термообработки, которая основана на у - a-превращении и предусматривает получение в структуре мартенсита с последующим улучшением в зависимости от требований технических условий. (заменители: 12Х13, 14Х17Н2)  

xn--80aafddgcctbhpvrdabo8b4bh1e8f.xn--p1ai

Нормализация стали 45: описание процесса, режимы, температура

Термическая обработка – это изменение структуры сплава, стали и цветного металла за счет воздействия большого диапазона температуры, а именно, поэтапное нагревание и охлаждение на определенной скорости. Эта процедура сильно меняет свойство заготовок в лучшую сторону, не меняя химически состав. Иными словами, термообработка – это повышение свойств и характеристик будущих изделий из металла, за определенное время при определенных условиях. Рассмотрим процесс нормализации стали 45.

Нормализация стали 45

Нормализация стали 45

Особенности нормализация стали марки 45

Сталь этого вида углеродистая конструкционная. Процедура нормализации осуществляется на воздухе, а не в специальной печи, что отлично от других этапов обработки. Сталь 45 быстро и просто поддается специальной механической обработке, например, фрезеровке, точению и сверлению. Из нее производят различные детали: распределительные и коленчатые валы, бандажи, вал-шестерни, шпиндели, кулачки, шестерни и цилиндры.

Что такое нормализация?

Под этим понятием понимается нагрев:

  • доэвтектоидной стали более чем Ас3;
  • заэвтектоидной стали более чем Аcm на 50 градусов.

После нагрева осуществляется плавное понижение температуры на воздухе. При этом процессе осуществляется перекристаллизация стали, удаляющая крупнозернистую структуру, образовавшуюся при ковке или литье. После охлаждения при достаточно низком уровне температуры улучшается дисперсность смеси за счет распада аустенита на ферритно-цементитную смесь. Нормализовать можно любую сталь, но для определенных видов заготовок она может заменять некоторые стадии термообработки.

Температура нагрева стали при термообработке

Температура нагрева стали при термообработке

Если производится нормализация стали 45, то эта процедура заменяет высокий отпуск и закалку. При это происходит понижение механических свойств, но за то снижается деформация изделий, чего не скажешь про результат, который получается при закалке. С учетом того, что температура, используемая для нормализации при критической точке Ac3, составляет 770 градусов. За счет этого температура нагревания должна быть не меньше 810 градусов. В таком случае структура аустенита распадается на 100%.

Если понизить температуру до Ar3, то сразу же появятся первые зернышки феррита. Если продолжить понижение до Ar1, то из аустенита выделятся только зерна феррита, а концентрация углерода в остатке будет подниматься, а значит, что при таком же уровне температуры быстро достигнет 0,8%. Если температура нормализации стали 45 еще немного опустится, то начнет выделяться перлит.

Режим нормализации стали 45, подразумевающий медленное нагревание при низких температурах, т.е. ниже линии PSK, не приводит ни к каким превращениям. Если дальше потихоньку нагревать доэвтектоидную сталь, то феррит постепенно растворяется в аустените. Если температура, при которой производится нормализация стали, выше линии GSE, то структура будет представлена только аустенитом.

После нормализации структура среднеуглеродистой стали будет представлена ферритом и перлитом (крупнозернистая смесь цементита и феррита).

Существует несколько стадий обработки будущих изделий:

  1. отжиг – нагревание до определенной температуры, а после чего медленное охлаждение;
  2. нормализация – аналог отжига, только охлаждение производится на открытом воздухе;
  3. закалка – нагревание заготовки до самого высокого уровня температуры, а потом производится быстрое охлаждение;
  4. отпуск – снижение остатков напряжения, за счет чего снижается твердость и хрупкость металлической заготовки, но увеличивается вязкость;
  5. старение – после отжига осуществляется повторное нагревание металла до минимальной температуры и последующее медленное остужение.

Инструменты для проведения работы:

  • шлифовальная бумага;
  • баки с маслом и с водой;
  • металлографический микроскоп;
  • печь с наличием термоэлектрического пирометра;
  • твердомеры по Роквеллу;
  • несколько наборов микрошлифов (структура троостит, мартенсит, сорбит, видманштеттовая структура, феррит + мартенсит).

Процедура термообработки

Эта процедура представлена в плавном нагреве деталей, где используется установленная температура, выдержка и затем охлаждение при установленной скорости. Здесь изменяется структура, а значит, механические и технологические показатели будущего изделия.

Термообработка стали

Термообработка стали

Если заготовку охлаждают и нагревают железоуглеродистые сплавы, то начинается превращение при заданном уровне температуры, так называемая критическая точка. Их обычно обозначают Ac1, Ac3, Acm. Все эти изменения при термообработке кристаллизационного характера, а значит, образуются центры зародышей, которые потом постепенно вырастают. Начальная структура каждого вида сталей представлена смесью цементита и феррита.

Характеристика стали 45

Вообще, сталь – это сплав углерода и железа. Сегодня этот материал, за счет своей твердости, пользуется постоянным высоким спросом в различных сферах промышленности. Доля железа в таком сплаве составляет около 45%. Все свойства стадии напрямую зависят от легирующих элементов и содержания углерода, что влияет на будущие изделия для металлопроката. Сталь 45 является самой востребованной маркой. Определенные режимы температурной обработки дают возможность получить прочные изделия. Твердость стали 45 после нормализации напрямую связана с диапазоном температур во время работы.

Сталь марки 45

Сталь марки 45

Окончательный режим обработки – это отпуск стали 45. Главной целью этого процесса является снижение закалочных напряжений, чтобы будущая сталь 45, получила твердость, пластичность и прочность. Ее нагревают до предела ниже Ac1, выдерживают, а потом охлаждают на воздухе при заданной скорости. В зависимости от уровня температуры нагрева, данный вид термообработки бывает трех видов:

  1. Низкий – нагрев 200-250 градусов для получения мартенсита и снятия внутреннего напряжения с сохранением твердости. Сталь используется для режущих и измерительных инструментов.
  2. Средний – нагрев 350-500 градусов для получения троостита, повышения вязкости и высокой упругости. Его используют для изготовления рессор, пружин и кузнечных штампов.
  3. Высокий – нагрев 500-600 градусов для получения сорбита, чтобы было лучшее соотношение пластических и прочностных свойств. Она применятся при изготовлении большинства автомобильных деталей, например, шатуны двигателей и оси автомобилей.

Нормализация стали 45 – это основная часть обработки стали. В зависимости от диапазона температуры нагрева используются различные режимы нормализации стали. Здесь производится закалка металла, т.е. улучшение ее свойств и характеристик для дальнейшего их закрепления.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 

stankiexpert.ru

Руководство как повысить твердость стали и цветных металлов

закалка металла, стали и их сплавов

Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

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.

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

№ п/п Марка стали Твёрдость (HRCэ) Температ. закалки, град.С Температ. отпуска, град.С Температ. зак. ТВЧ, град.С Температ. цемент., град.С Температ. отжига, град.С Закал. среда Прим.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Сталь 20 57…63 790…820 160…200 920…950 Вода
2 Сталь 35 30…34 830…840 490…510 Вода
33…35 450…500
42…48 180…200 860…880
3 Сталь 45 20…25 820…840 550…600 Вода
20…28 550…580
24…28 500…550
30…34 490…520
42…51 180…220 Сеч. до 40 мм
49…57 200…220 840…880
<= 22 780…820 С печью
4 Сталь 65Г 28…33 790…810 550…580 Масло Сеч. до 60 мм
43…49 340…380 Сеч. до 10 мм (пружины)
55…61 160…220 Сеч. до 30 мм
5 Сталь 20Х 57…63 800…820 160…200 900…950 Масло
59…63 180…220 850…870 900…950 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
«— 840…860
6 Сталь 40Х 24…28 840…860 500…550 Масло
30…34 490…520
47…51 180…200 Сеч. до 30 мм
47…57 860…900 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
48…54 Азотирование
<= 22 840…860
7 Сталь 50Х 25…32 830…850 550…620 Масло Сеч. до 100 мм
49…55 180…200 Сеч. до 45 мм
53…59 180…200 880…900 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
< 20 860…880
8 Сталь 12ХН3А 57…63 780…800 180…200 900…920 Масло
50…63 180…200 850…870 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
<= 22 840…870 С печью до 550…650
9 Сталь 38Х2МЮА 23…29 930…950 650…670 Масло Сеч. до 100 мм
<= 22 650…670 Нормализация 930…970
HV > 670 Азотирование
10 Сталь 7ХГ2ВМ <= 25 770…790 С печью до 550
28…30 860…875 560…580 Воздух Сеч. до 200 мм
58…61 210…230 Сеч. до 120 мм
11 Сталь 60С2А <= 22 840…860 С печью
44…51 850…870 420…480 Масло Сеч. до 20 мм
12 Сталь 35ХГС <= 22 880…900 С печью до 500…650
50…53 870…890 180…200 Масло
13 Сталь 50ХФА 25…33 850…880 580…600 Масло
51…56 850…870 180…200 Сеч. до 30 мм
53…59 180…220 880…940 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
14 Сталь ШХ15 <= 18 790…810 С печью до 600
59…63 840…850 160…180 Масло Сеч. до 20 мм
51…57 300…400
42…51 400…500
15 Сталь У7, У7А НВ <= 187 740…760 С печью до 600
44…51 800…830 300…400 Вода  до 250, масло Сеч. до 18 мм
55…61 200…300
61…64 160…200
61…64 160…200 Масло Сеч. до 5 мм
16 Сталь  У8, У8А НВ <= 187 740…760 С печью до 600
37…46 790…820 400…500 Вода      до 250, масло Сеч. до 60 мм
61…65 160…200
61…65 160…200 Масло Сеч. до 8 мм
61…65 160…180 880…900 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
17 Сталь У10, У10А НВ <= 197 750…770
40…48 770…800 400…500 Вода  до 250, масло Сеч. до 60 мм
50…63 160…200
61…65 160…200 Масло Сеч. до 8 мм
59…65 160…180 880…900 Водный раствор 0,2…0,7% поли-акриланида
18 Сталь  9ХС <= 24 790…810 С печью до 600
45…55 860…880 450…500 Масло Сеч. до 30 мм
40…48 500…600
59…63 180…240 Сеч. до 40 мм
19 Сталь  ХВГ <= 25 780…800 С печью до 650
59…63 820…850 180…220 Масло Сеч. до 60 мм
36…47 500…600
55…57 280…340 Сеч. до 70 мм
20 Сталь Х12М 61…63 1000…1030 190…210 Масло Сеч. до 140 мм
57…58 320…350
21 Сталь Р6М5 18…23 800…830 С печью до 600
64…66 1210…1230 560…570 3-х кратн. Масло, воздух В масле до 300…450 град., воздух до 20
26…29 780…800 Выдержка 2…3 часа, воздух
22 Сталь  Р18 18…26 860…880 С печью до 600
62…65 1260…1280 560…570 3-х кратн. Масло, воздух В масле до 150…200 град., воздух до 20
23 Пружин. сталь  Кл. II 250…320 После холодной навивки пружин 30-ть минут
24 Сталь 5ХНМ, 5ХНВ >= 57 840…860 460…520 Масло Сеч. до 100 мм
42…46 Сеч. 100..200 мм
39…43 Сеч. 200..300 мм
37…42 Сеч. 300..500 мм
НV >= 450 Азотирование. Сеч. св. 70 мм
25 Сталь 30ХГСА 19…27 890…910 660…680 Масло
27…34 580…600
34…39 500…540
«— 770…790 С печью до 650
26 Сталь 12Х18Н9Т <= 18 1100…1150 Вода
27 Сталь 40ХН2МА, 40ХН2ВА 30…36 840…860 600…650 Масло
34…39 550…600
28 Сталь ЭИ961Ш 27…33 1000…1010 660…690 Масло 13Х11Н2В2НФ
34…39 560…590 При t>6 мм вода
29 Сталь 20Х13 27…35 1050 550…600 Воздух
43,5…50,5 200
30 Сталь 40Х13 49,5…56 1000…1050 200…300 Масло

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).
Металл Температураотжига, C° Охлаждающая среда
    МедьЛатунь Л96Латунь Л90-Л62МельхиорНейзильберСереброАлюминийДюралюминий 500 — 600540 — 600600 — 700650 — 700700 — 750650 — 700300 — 350360 — 380 ВодаНа открытом воздухеНа открытом воздухеВодаВодаВодаНа открытом воздухеОхлаждение в печи

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.

www.m-deer.ru