Закалка металлов¶

Закалка металлов — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла или сплава до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Цель закалки — изменение структуры материала, приводящее к повышению его твёрдости, прочности и износостойкости. Закалка является одним из основных видов термической обработки, наряду с отжигом, нормализацией и отпуском.

¶Физико-химические основы закалки

Процесс закалки основан на полиморфных превращениях в металлах, наиболее изученным из которых является превращение в системе железо-углерод. При нагреве стали выше критической точки (для доэвтектоидных сталей — выше точки Ac3, для заэвтектоидных — выше Ac1) исходная структура (феррит, перлит) переходит в аустенит — твёрдый раствор углерода в γ-железе. Быстрое охлаждение (со скоростью выше критической) не позволяет аустениту распасться на равновесные фазы (перлит, сорбит, троостит) и фиксирует его переохлаждённое состояние. В результате образуется мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе, имеющий тетрагональную кристаллическую решётку. Мартенсит обладает высокой твёрдостью (до 65–68 HRC для углеродистых сталей), но также и высокой хрупкостью.

Для цветных металлов (например, алюминиевых, медных сплавов) закалка также основана на фиксации пересыщенного твёрдого раствора, но механизмы упрочнения могут быть иными — например, дисперсионное твердение при последующем старении.

¶Виды закалки

¶По способу охлаждения

• Закалка в одном охладителе (простая закалка): нагретую деталь погружают в охлаждающую среду (воду, масло, полимерные растворы) и выдерживают до полного охлаждения. Наиболее распространённый, но и наиболее рискованный метод из-за возникновения больших внутренних напряжений.
• Закалка в двух средах (прерывистая закалка): деталь сначала быстро охлаждают в воде (или солевом растворе) до температуры около 300–400 °C, затем переносят в масло или на воздух для замедленного охлаждения. Позволяет снизить внутренние напряжения и риск образования трещин.
• Ступенчатая закалка: деталь охлаждают в среде с температурой, близкой к точке начала мартенситного превращения (обычно 150–250 °C), выдерживают для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на воздухе. Применяется для сложных по форме деталей из легированных сталей.
• Изотермическая закалка: деталь охлаждают в среде с температурой выше точки начала мартенситного превращения (250–400 °C) и выдерживают до полного распада аустенита на бейнит (игольчатый троостит). Получаемая структура (бейнит) обладает высокой твёрдостью и вязкостью.
• Закалка с самоотпуском: деталь извлекают из охладителя до полного остывания, когда сердцевина ещё сохраняет тепло, за счёт которого происходит отпуск поверхностного слоя. Применяется для ручного инструмента (молотки, зубила).

¶По объёму нагрева

• Объёмная закалка: нагревается и закаливается вся деталь целиком. Наиболее распространённый вид.
• Поверхностная закалка: нагреву и закалке подвергается только поверхностный слой детали (на глубину 1–5 мм), сердцевина остаётся вязкой. Осуществляется с помощью высокочастотного нагрева (ТВЧ), газопламенного нагрева, лазерной или электронно-лучевой обработки. Позволяет получить твёрдую износостойкую поверхность при сохранении вязкой сердцевины, воспринимающей ударные нагрузки.

¶Охлаждающие среды

Выбор охлаждающей среды определяется типом стали, формой и размерами детали, а также требуемой скоростью охлаждения.

• Вода: наиболее дешёвая и доступная среда, обеспечивающая высокую скорость охлаждения (до 600 °C/с). Недостатки: высокая вероятность образования трещин и деформаций, коррозия, образование паровой рубашки, снижающей равномерность охлаждения. Для улучшения свойств применяют подогрев воды (до 30–40 °C) или добавление солей (10–15 % NaCl).
• Масло: обеспечивает более медленное и равномерное охлаждение (50–150 °C/с), снижает риск трещин. Применяется для легированных и углеродистых сталей сложной формы. Недостатки: горючесть, высокая стоимость, необходимость очистки деталей после закалки.
• Полимерные растворы: водные растворы полимеров (например, полиакриламида, полиэтиленоксида) позволяют регулировать скорость охлаждения в широких пределах, приближаясь к свойствам масла, но без его недостатков. Широко применяются в современном машиностроении.
• Воздух: используется для закалки легированных сталей с высокой прокаливаемостью, а также для изотермической закалки. Обеспечивает минимальные деформации.
• Солевые и щелочные расплавы: применяются для ступенчатой и изотермической закалки. Обеспечивают стабильную температуру и высокую скорость охлаждения в определённом интервале.

¶Технологические параметры

¶Температура нагрева

Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали и определяется по диаграмме состояния железо-углерод. Для доэвтектоидных сталей (содержание углерода менее 0,8 %) температура нагрева должна быть на 30–50 °C выше точки Ac3 (линия GS), чтобы получить однородный аустенит. Для заэвтектоидных сталей (содержание углерода более 0,8 %) — на 30–50 °C выше точки Ac1 (линия PSK), чтобы сохранить избыточные карбиды (цементит), повышающие износостойкость.

¶Время выдержки

Время выдержки при температуре закалки должно быть достаточным для завершения фазовых превращений и выравнивания температуры по сечению детали. Оно зависит от химического состава стали, размеров детали и типа нагревательного устройства. Ориентировочно: для печного нагрева — 1–2 минуты на 1 мм толщины (для углеродистых сталей) и 2–3 минуты на 1 мм (для легированных сталей).

¶Скорость охлаждения

Скорость охлаждения должна быть выше критической скорости закалки — минимальной скорости, при которой аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения (точка Mн) без распада на феррито-цементитную смесь. Критическая скорость закалки для углеродистых сталей составляет 100–200 °C/с, для легированных — 10–50 °C/с, для некоторых высоколегированных сталей — менее 1 °C/с.

¶Дефекты при закалке

• Трещины: возникают из-за высоких внутренних напряжений, вызванных неравномерным охлаждением и объёмными изменениями при мартенситном превращении. Наиболее вероятны при закалке в воде деталей сложной формы или из сталей с высоким содержанием углерода.
• Деформации (коробление): изменение формы и размеров детали под действием термических и структурных напряжений. Особенно характерны для длинных тонкостенных деталей.
• Недостаточная твёрдость: возникает при недогреве (неполное превращение в аустенит), недостаточной скорости охлаждения (распад аустенита на перлит) или обезуглероживании поверхности.
• Перегрев: чрезмерный нагрев выше оптимальной температуры приводит к росту зерна аустенита, что после закалки даёт крупноигольчатый мартенсит с пониженными механическими свойствами.
• Пережог: нагрев до температуры, близкой к температуре плавления (свыше 1200 °C для стали), приводит к окислению границ зёрен и необратимому браку.

¶Применение закалки

Закалка широко применяется в машиностроении, инструментальной промышленности, металлургии и других отраслях для повышения эксплуатационных свойств деталей и инструментов.

• Инструменты: режущий (резцы, фрезы, свёрла, метчики), измерительный (штангенциркули, микрометры), штамповый и ударный (молотки, зубила, штампы) инструмент подвергают закалке для достижения высокой твёрдости и износостойкости.
• Детали машин: валы, оси, шестерни, пружины, рессоры, подшипники качения. Закалка обеспечивает высокую прочность, износостойкость и усталостную прочность.
• Строительные конструкции: арматура, крепёжные изделия (болты, гайки, шпильки) могут подвергаться закалке для повышения прочности.
• Бытовые предметы: ножи, топоры, пилы, ножницы, иглы, пружины.

¶Источники

1. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.
4. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
5. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры.