Все о термообработке стали 45: нагрев, охлаждение, отпуск. Режимы выдержки

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:

1. Нагрев заготовки до определенной температуры.
2. Охлаждение с определенной скоростью.
3. 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:

1. в вентилируемых печах;
2. в селитровом растворе;
3. в минеральном масле;
4. 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:

1. в муфельной печи постоянного или переменного действия;
2. 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.

Полезное видео

В видео подробно рассказано о закалке стали: