Какую структуру будет иметь сталь 45 после закалки и среднего отпуска

Опубликовано: 17.09.2024

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 легирующих элементов влияет на характеристику стали 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 структуре сталь 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 Fe₃C, 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: АС₁=725 °С, АС₃=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 закалки стали 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 режимов резания. 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.

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.

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

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

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:

Нагрев осуществляется за короткое время с ускоренным изменением и переходом перлита в аустенит.
Реакция перехода должна осуществляться в сжатые сроки за небольшой промежуток времени при высокой температуре.

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:

При нагреве в печи скорость составляет, 2-3 °С/сек до 840 – 860 °С.
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

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:

Остерегаться воспламенения масла.
При охлаждении металла в масле происходит выделение вредоносных газов (обязательно наличие вытяжной вентиляции).
Происходит образование налета на металле.
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.

Одним из самых важных и востребованных этапов обработки стали в машиностроении является термообработка. При соблюдении технологии заготовка становится достаточно прочной, увеличивая область использования полученных изделий.

Что такое закалка металла?

Суть процесса состоит в нагреве металла, выдержке при температуре и охлаждение в определенной среде. Выбор температуры нагрева осуществляется в соответствии с химическим составом стали.

Ошибки при выборе режима и времени закаливания приводят к появлению трещин, хрупкости структуры или непригодности для использования полученных деталей.

Этапы закалки:

Нагрев заготовки до определенной температуры.
Охлаждение с определенной скоростью.
Отпуск, способствующий снятию напряжений и коррекции твердости до заданных значений.

Что такое отпуск?

Еще одним из процессов термической обработки является отпуск. Он необходим для снятия внутреннего напряжения, образовавшегося в результате закалки. В металлургии таким образом удается избежать высоких показателей хрупкости и увеличить пластичность готового изделия.

Охлаждение в воде

Для стали 45 используют два основных типа охлаждения. Один из них – погружение нагретого металла ванну с водой. Главный минус этого метода – высокая скорость охлаждения, из-за которой возникает избыточное напряжение внутри заготовки. На поверхности детали появляются трещины или происходит ее колебание.

В масляной ванне

В ванне, заполненной минеральным маслом, сталь марки 45 охлаждается равномерно. При этом масло не нужно нагревать, в отличие от воды. Но необходимо строгое соблюдение мер безопасности при работе с маслом.

С отпуском и без

При отпуске сталь доводят до точки ниже критической температуры, выдерживают определенное время и охлаждают с заданной скоростью. Происходит процесс распада мартенсита, углерод выделяется в виде мелких кристаллов карбида железа (цементит) из перенасыщенного твердого раствора.

В зависимости от температуры отпуск проводится:

в вентилируемых печах;
в селитровом растворе;
в минеральном масле;
в растворенных щелочах.

Процесс отпуска позволяет изменить структуру и плавно снизить напряжения внутри металла. Показатель твердости при этом уменьшается на небольшое значение.

Температура

Соблюдении температурного режима позволяет избежать следующих дефектов:

Высокая хрупкость. Нагрев заготовки свыше температуры каления приводит к ее перегреву, в результате образуется крупная структура.
Уменьшение твёрдости. Низкие температуры нагревания, недостаточная выдержка и маленькая скорость охлаждения делают невозможным достижение необходимой твёрдости стали.

Режимы и время выдержки

Способы нагрева металла:

в муфельной печи постоянного или переменного действия;
в устройствах ТВЧ (токи высокой частоты).

В основе этих способов лежат разные технологии, приводящие к изменению значений твердости (HRC) заготовок.

Особенности нагрева в разных устройствах:

Скорость нагрева в электропечи 2-3 градуса в секунду до температуры 840 – 860 °С.
Нагрев в ТВЧ со скоростью 250 °С/сек до 880 – 920 °С, либо при 500 °С/сек – до 980 – 1020 °С.

Твердость

До процедуры

Физические свойства стали 45 изменяются с повышением температуры. По шкале Роквелла твердость необработанной стали составляет 20-22 единицы.

После

Термообработка стальной заготовки увеличивает показатель твердости стали в 2-2,5 раза.

Структура

До процедуры

Сталь конструкционная до этапа закаливания имеет объемно-центрированную структуру. В процессе нагревания до уровня аустенита происходит изменение состояния структурной решетки железа с переходом в структуру гранецентрированную.

После

После закаливания углерод, входящий в перлит, перемещается в новую гранецентрированную решетку железа. Этап охлаждения характеризуется быстрым снижением температуры обрабатываемой заготовки. Скорость перемещения атомов углеродов падает и происходит их внедрение в структуру новой решетки. В образовавшейся пересыщенной структуре возникают внутренние напряжения.

Гранецентрированная решетка превращается в однонапрвравленную тетрагональную структуру. Образовавшийся мартенсит имеет вид мелких игольчатых кристаллов, придающих стали высокие показатели прочности.

Закалка с помощью ТВЧ

Сталь, обработанная в устройстве ТВЧ, способна выдерживать высокую нагрузку разных видов, высокую переменную и ударную нагрузку. Такая обработка является одним из видов поверхностной закалки. Основная задача поверхностной закалки – получение прочного наружного слоя с сохранением вязкой сердцевины.

Закалка производится в индукционной печи с применением токов высокой частоты. Нагрев сечения детали происходит неравномерно. Плотность тока на наружной части стали намного выше в сравнении с центром. Основная часть теплового воздействия приходится на поверхность, в этой зоне и происходит упрочнение.

Охлаждается сталь в печи распрыскивающими устройствами.

Результатом этих операций становится неоднородность структуры стали. Поверхностный закалённый слой полностью состоит из мартенсита, а сердцевина из феррита. Увеличение показателя прочности глубинного слоя совершается проведением процесса нормализации.

Преимущества закалки ТВЧ:

Производительность выше, чем при закалке в печах.
Сталь защищена от влияния окисления и обезуглероживания.
Толщина закаленного слоя зависит от частоты токов.
Автоматизированный процесс.

Закалка значительно меняет структурную решетку и эксплуатационные качества металла. Данная технология позволяет получить заготовки с высоким уровнем износостойкости и широкой областью применения.

Особенности закалки стали 45: цель проведения, область применения изделий, прошедших термообработку. Этапы технологии, способы нагрева, среды охлаждения. Особенности нагрева токами высокой частоты. Температурные режимы.

Закалка стали 45 выполняется с целью повышения твердости, износостойкости и прочностных характеристик поверхности заготовок и деталей.

Является разновидностью термообработки, с помощью которой им придаются необходимые эксплуатационные свойства. По содержанию углерода конструкционная сталь 45 (0,45 % С) относится к среднеуглеродистой, что затрудняет механическую обработку и свариваемость.

Применяется такая сталь для изготовления конструкций и устройств, противостоящих нагрузкам. У металла хорошие показатели прочности, износостойкости, он не поддается коррозионным процессам в процессе эксплуатации.

Закаливание улучшает эти показатели, что и определяет области применения стали 45. Из нее изготавливают валы, цилиндры, шпиндели, кулачки и другие детали машин и механизмов машиностроительной, сельскохозяйственной, строительной и другой техники, а также плоскогубцы, тиски и другой инструмент и приспособления, применяемые в промышленности и быту.

Технология закалки стали 45

Закалить сталь 45 – значит подвергнуть ее нагреву до необходимой температуры, выдержке в течение определенного времени и охлаждению. Здесь есть свои нюансы. Нагрев металла осуществляют двумя способами:

в специальных электропечах непрерывного или периодического действия;
токами высокой частоты (ТВЧ).

Эти способы отличаются технологией, а именно температурой закалки, временем выдержки и средой охлаждения.

При нагреве в печи температура нагрева не превышает 860 °C, обычно сталь 45 нагревают со скоростью не больше 3 °C в секунду выше 790 °C, а в устройстве ТВЧ она может доходить до 920 °C со скоростью 250 °C в секунду соответственно.

Именно эти режимы позволяют изменить атомную решетку железа. В результате нагрева (температура должна быть выше растворения феррита в аустените) и выдержки она из объемноцентрированной станет гранецентрированной. Для того чтобы в металле произошло выравнивание структуры, его выдерживают в печи или в установке какое-то время.

Это зависит от толщины заготовки. Только после этого ее подвергают охлаждению. В это время происходит обратный процесс, что в результате придает поверхности прочность и твердость.

Охлаждение производят в специальных средах до температуры 20÷25 °C. В качестве рабочей среды может служить вода, минеральные масла или смесь воды с солями или каустической содой.

Температура рабочей среды колеблется в пределах 20÷60 °C и указывается в технологическом процессе проведения закалки стали 45. Режимы устанавливают в зависимости от состава закалочной среды. Деталь при этом после нагрева может опускаться в емкость с рабочей средой или охлаждаться способом разбрызгивания.

Сталь 45 чаще всего после нагрева охлаждают в воде или масле, при этом масло охлаждает равномерно, что препятствует возникновению трещин. Затем заготовку или деталь подвергают низкотемпературному отпуску, что способствует выравниванию тепловых напряжений.

Это позволяет получить твердость рабочей поверхности 50 HRC, что для большинства деталей, работающих при нагрузках, более чем достаточно.

Особенности технологии закалки токами высокой частоты

Переменный ток, проходя через индуктор, вызывает возникновение вихревых токов (токи Фуко), благодаря чему происходит быстрый нагрев поверхности заготовки.

Изменяя параметры тока, можно регулировать глубину прогрева заготовки, а следовательно, и прочность. Твердость поверхности лежит в пределах 58÷62 HRC, в то время как сердцевина остается более мягкой. Таких показателей невозможно добиться, осуществляя нагрев в печи, т. к. он будет осуществляться по всему объему.

Сразу после закалки сталь 45 подлежит следующему этапу термообработки – нормализации или отпуску.

Процесс закалки ТВЧ стали 45 показан на видео:

Режим закалки может быть одновременным и последовательным. Это зависит от размеров детали, которая подлежит закалке. Первый случай используется для деталей небольших размеров, второй – для крупногабаритных.

Характеристика и свойства стали 45 после закалки

Свойства стали 45 после закалки на предприятиях, выпускающих продукцию разного назначения, обязательно проверяются в первую очередь на твердость. Она становится намного выше, чем была у заготовки, и должна иметь твердость не менее 50 по Роквеллу.

Этот показатель свидетельствует о качестве проведенной термообработки. Закалка стали значительно расширяет область ее применения. Такие заготовки и детали износостойкие, прочные и могут выдерживать значительные нагрузки. Они с трудом поддаются коррозионным процессам.

Несколько слов о способе закалки стали 45 в домашних условиях. Ее можно выполнить, если соблюдать технологию выполнения работ и технику безопасности.

Главное – правильно осуществить нагрев, а поэтому не лишним будет посмотреть на шкалу зависимости цвета от температуры нагрева металла. Она подскажет, какого цвета должна быть сталь 45 при нагреве не выше 860 °C.

Просим тех, кто занимался закалкой стали 45 в производственных и домашних условиях, поделиться опытом в комментариях к тексту.

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.

Читайте также: