Закалка и отпуск – один из самых распространенных видов термической обработки металлов.

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.

 

                      (Рис. 1) Закалка заготовки из стали

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 стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.

Все способы закалки стали состоят из:

1. нагрева стали;

2. последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;

3. 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.

Отпуск заключается в низкотемпературном нагреве закаленных материалов с целью изменения фазового состояния, структуры и свойств материала и приближения к равновесному состоянию. Основные параметры процесса — температура нагрева и время выдержки, а в некоторых случаях и скорость охлаждения. В углеродистой стали при отпуске происходит распад фазы, зафиксированной закалкой, то есть мартенсита, с выделением из нее углерода в виде карбидных частиц. В сталях мартенсит является пересыщенным раствором, и сущность структурных изменений при отпуске та же, что и при старении, — распад термодинамически неустойчивого пересыщенного раствора. Отличие отпуска от старения обусловлено особенностями субструктуры мартенсита, а также поведением углерода в мартенсите закаленной стали. Основное назначение отпуска — достижение необходимых свойств стали, в особенности оптимального сочетания прочности, пластичности и ударной вязкости.

Отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твердости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закаленных на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении.

Отпуск закаленных деталей, изготовленных из сталей, производится с целью уменьшения их хрупкости и снятия внутренних напряжений. В зависимости от температуры нагрева различают низкий (при температуре 150—250°С), средний (300—500°С) и высокий (500—600°С) отпуск. Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникающие при закалке. Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренние напряжении.

 

Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура-время (рис. 1).

Параметрами процесса термической обработки являются максимальная температура нагрева сплава, время выдержки сплава при температуре нагрева, скорость нагрева и охлаждения.

 

 

Рисунок. 1 График термической обработки

 

Термическая обработка изменяет прочностные, пластические и другие свойства материала изделия в нужном направлении. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов.

Эти превращения характеризуются определенными критическими точками.

Знание этих точек облегчает изучение процессов термической обработки.

 

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

Сталь 40Х

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

 

Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.

Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.

Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10-1 = 217 Мпа.

Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c1= 743, Ac3(Acm) = 815, Ar3(Arcm) = 730, Ar1 = 693.

При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

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

 

 

Процесс закалки

Процесс обработки высокой температурой стали 40Х и иного сплава называют закалкой. Стоит учитывать, что нагрев выполняется до определенной температуры, которая была определена путем многочисленных испытаний. Время выдержки, после которого проводится охлаждение, а также другие моменты можно узнать из специальных таблиц. Провести нагрев в домашних условиях достаточно сложно, так как в рассматриваемом случае нужно достигнуть температуры около 800 градусов Цельсия.

 

 

 

 

Результатом сильного нагрева и выдержки металла 40Х на протяжении определенного времени с последующим резким охлаждением в воде становится повышение твердости и уменьшение пластичности. При этом результат зависит от нижеприведенных показателей:

скорости нагрева металла 40Х;

времени выдержки;

от скорости охлаждения.

При проведении работы в домашних условиях следует учитывать температуру обработки и время охлаждения.