Закалка стали

Процесс нагрева стали с целью перекристаллизации ее структуры на аустенит с последующим быстрым охлаждением называется в технике закалкой.

Температура нагрева при закалке стали (температура закалки) зависит от марки стали, то есть от содержания углерода, и различна для разных сталей. Чтобы добиться большей однородности зерен аустенита, сталь при закалке либо нагревают еще на 30—50°С выше, либо выдерживают при температуре закалки более длительное время. Зерна аустенита при этом растут и становятся однородными. Но сталь с крупным зерном кристаллов хуже, чем с мелким. Поэтому при термической обработке всегда стремятся к тому, чтобы получить мелкое зерно стали.

Рост зерна в углеродистых сталях зависит не только от температуры и времени нагрева, но и от содержания углерода и примесей. Введение в сталь легирующих элементов — титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома (но не марганца) — тормозит рост зерна аустенита при нагреве. Легирующие элементы расширяют интервал закалочных температур и облегчают получение качественной структуры; в этом и состоит преимущество легированных сталей перед углеродистыми: они лучше поддаются закалке. Большинство сталей, имеющих при комнатной температуре аустенитную структуру,— легированные стали.

Размеры зерна, получаемого при закалке стали, существенно зависят и от скорости охлаждения: чем выше скорость, тем мельче закаленное зерно, мельче кристаллы, тем лучше качество и свойства стали. Если охлаждение стали вести на воздухе, аустенит, естественно, распадается, но высокая скорость охлаждения (например, в холодильнике или при обдуве детали холодным воздухом) позволяет получить мелкие кристаллы. Хотя в этих кристаллах не аустенит, а уже знакомые нам железо и его карбиды, все же структура эта значительно лучше по свойствам: при высокой довольно-таки твердости она обладает замечательной вязкостью и износостойкостью.   Такая   структура закаленной стали в честь английского ученого Генри Сорби была названа сорбитом. Образование сорбита начинается при 600 °С и заканчивается при 500°С, а сам процесс называется сорбитизацией.

Раскаленная сталь при охлаждении в масле приобретает еще более мелкозернистую структуру, обладающую высокой твердостью, прочностью и упругостью, — тростит (названа так в честь французского химика Л. Троста). Тростит образуется из аустенита в интервале температур от 500 до 200°С.

При резком охлаждении в воде аустенит обыкновенной углеродистой стали сохраняется до температуры 240°С и затем мгновенно перестраивается. Но углерод при этой перекристаллизации уже не выбрасывается из «контейнеров»: образовавшиеся мельчайшие зерна представляют собой пересыщенный твердый раствор углерода в обычной для комнатной температуры кристаллической решетке («контейнере») железа. Это не аустенит, но и не смесь железа с его карбидами. Такая новая структура твердого раствора называется мартенситом, по имени немецкого металловеда А. Мартенса. Кристаллики мартенсита по виду даже не зернистые, а игольчатые. Мартенсит имеет наивысшую из всех структур твердость, близкую к твердости карбида железа, высокую упругость и хрупкость.

В легированных сталях мартенситная структура образуется при меньшей скорости охлаждения, чем в углеродистых, поэтому закалку таких сталей на мартенсит можно проводить не в воде, а в масле или даже на воздухе. Детали, нагретые под закалку, выдерживают в печи при данной температуре от 3 до 20 мин. (в зависимости от размеров их) и опускают в охлажденную среду. Температуры закалки и отжига для углеродистых сталей почти совпадают, поэтому по графику на рис. 42 определить эти температуры для каждого вида стали нетрудно: достаточно знать процентное содержание углерода в стали. Рис. 42. Графики закалки и отжига углеродистых сталей

Большую скорость охлаждения стали для закалки ее под мартенсит можно получить, опуская детали в воду с температурой ниже +18°С или в 10-процентный раствор поваренной соли (едкого натра). На мартенсит закаливают режущий инструмент, детали, испытывающие в работе трение (оси, зубчатые колеса и т. п.), часть пружин.

Закалка стали в воде с температурой около +65°С или в масле позволяет получить более крупную структуру — тростит. В то же время тростит в стали можно получить, отпуская деталь с мартен-ситной структурой. На тростит закаливают ударный инструмент, которому нужна высокая твердость в сочетании с упругостью, а также рессоры и пружины.

Охлаждая разогретую для закалки деталь в горячей (90°С) или мыльной воде или же отпуская деталь с мартенситной структурой, получают в стали сорбитную структуру. Ей присуща наибольшая вязкость и износостойкость, поэтому на сорбит закаливают рельсы, бандажи и прочий инструмент, работающий при самых тяжелых ударных нагрузках.

Процесс закалки стали. Закаливаемые детали опускают в охлаждающую среду и непрерывно двигают детали в ней. Если деталь остается неподвижной, на ней образуется паровая «рубашка» и в отдельных местах деталь  останется  непрокаленной.

Детали опускают в охлаждающую среду определенным образом (рис. 43): сверла, развертки и другие длинные детали — режущей частью вперед, то есть вертикально; плоские детали — перпендикулярно поверхности жидкости. Если закалке подлежит только часть инструмента (например, режущая часть сверла), то деталь опускают в охлаждающую жидкость на нужную глубину и слегка перемещают ее вверх-вниз в жидкости, «размывая» границу закалки. Рис. 43. Правильное погружение деталей в закалочную жидкость

При закалке (да и при других видах термообработки) очень важно не перегреть металл — это может его безвозвратно испортить,— то есть нужно точно определять температуру разогрева детали. В  домашних  условиях,  если  не удалось найти специального термометра, можно с достаточной степенью точности научиться определять температуру разогретой детали по ее цвету.

Цвета каления стальных деталей в порядке их появления расположены следующим образом (температура дана в °С):

• темно-коричневый (заметен в темноте)........ 530 — 580
                                              начало свечения;
• коричнево-красный..... 580—650:
• темно-красный (вишневый)........650—720;
• вишнево-красный (багровый).....720—770;
• вишнево-алый.........770—800;
• светло-вишнево-алый......800—830;
• ярко-красный....... ......830—870;
• красный..........870—900;
• светло-красный   (оранжевый)....900—1050;
• темно-желтый.........1050—1150;
• желтый (светлый) .... 1150—1230;
• желто-белый..........1230—1300;
• ослепительно белый.............1300 и выше.

Мелкие детали греть под за­калку лучше в муфельных печах. При разогреве их на газовой го­релке или в горне детали нельзя вводить в пламя, это обязательно приведет к перекаливанию и порче деталей. Надо уложить «мелочь» на стальную болванку и разогре­вать вместе с нею, определяя тем­пературу по цветам каления бол­ванки. В закалочную жидкость детали следует опускать также вместе с болванкой.

Муфельную печь небольших размеров можно изготовить и в домашних условиях  (рис.  44,А).

Основу такой печи составит кера­мическая труба 1 от старого школьного реостата (можно ку­пить реостат в магазинах). На трубу наматываем с небольшим шагом распущенную спираль 2 от бытовой электроплит­ки мощностью 800 Вт. На спираль сверху накладываем лист асбеста (вкруговую) и на асбест наматы­ваем вторую спираль 3. Обе спи­рали при этом не должны нигде соприкасаться друг с другом. По­верх второй спирали укладываем по трубе еще 5—6 слоев асбеста 4.

С одного из торцов трубы 1 ставим керамическую заглушку 5 с отверстием для термопары. Вто­рая заглушка 6 на другом торце будет служить крышкой печи. Обе заглушки «утепляем» четырьмя-пятью слоями асбеста. Если под рукой не окажется подходящей керамики, заглушки придется из­готовить из какого-либо формовоч­ного материала для высоких тем­ператур, описанного выше.

В изготовленный из жести ко­жух 7 (для швов пригоден оди­нарный замок) укладываем полу­чившуюся конструкцию. Крышка-заглушка 6 тоже должна иметь кожух и свободно удаляться при откидывании запирающего крюч­ка 8. Ножки в печке делаем из стальной полосы; эти ножки 9 — съемные. Электрическая схема сое­динения должна предусматривать включение одной спирали или сразу   двух   вместе   (рис.44, Б).

При включении спирали 1 темпе­ратура в печи будет подходящей для отпуска стальных деталей и отжига деталей из цветных метал­лов. При включении обеих спира­лей (1 и 2) в печи можно закалять и отжигать стальные детали.

Температуру в печи будем из­мерять   термоэлектрическим термометром. Его система состоит из термопары и измерительного при­бора (рис. 44, В) - Термопара пред­ставляет собою два провода, один из которых сделан из сплава хро­мель, другой — из сплава алю-мель. Провода скручиваем с од­ного конца, а два других конца подсоединяем вместе к одному из зажимов трансформатора напря­жением 4—8 В (это может быть лабораторный автотрансформатор ЛАТР или трансформатор мощно­стью 80—100 Вт). Со второго за­жима напряжение подаем на угольный стержень от карманной батарейки (рис. 44, Г). Скрученны­ми проводами термопары касаем­ся угольного стержня, в результа­те чего провода в месте крутки свариваются. На месте сварки об­разуется   металлический   шарик.

Оба провода термопары поме­щаем в фарфоровую трубочку с двумя сквозными отверстиями или изолируем друг от друга еще как-нибудь, затем подключаем их к измерительному прибору. Термопа­ру в фарфоровой трубочке через специальное отверстие в заглуш­ке 5 вводим в печь.

Заменяем измерительную шка­лу прибора на новую (прибором в нашей термоэлектрической си­стеме может служить милливольт­метр с крупной шкалой, имеющей максимум измерения 50 мкВ). Гра­дуируем новую шкалу в градусах Цельсия. Для этого помещаем в печь гипсовую пластинку с ук­репленными на ней проволочками или полосками из свинца, цинка, алюминия, меди. Включаем печь на разогрев и следим за стрелкой подключенного к термопаре при­бора.

Как только начнет плавиться свинец, делаем на шкале прибора первую засечку; она соответствует 327°С. Расплавление цинка дает вторую засечку —419°С, алюми­ния -660°С и меди — 1083°С. (Цинк следует брать от стаканчи­ков сухих элементов, иначе назы­ваемых батарейками для карман­ного фонаря, медь и алюминий — в жилах проводов или кабелей, а свинец — из оболочки кабеля.) На шкале получается пять засе­чек: одна — в начале шкалы и четыре других — от точек плавле­ния. Разбиваем равномерно шкалу на пропорциональные деления, учитывая все полученные засечки. Удобно иметь «цену» малого деле­ния, равную 10°С, а крупных делений — 50 и 100°С соответст­венно. Хромель-алюмелевая термопа­ра позволяет градуировать прибор равномерно, а измерение темпера­туры с ее помощью осуществимо в пределах от комнатной до 1300°С. Рис. 44. А — общий вид и разрез; Б — электрическая схема; В — термоэлектрический термометр; Г — сварка термопары; 1 — керамическая труба; 2 — первая спираль; 3 — вторая спираль; 4 — асбест;    5 — заглушка;    6 — заглушка-крышка;    7 — кожух;    8 — крючок;    9 — ножки.