Закалка стали: технологии и методы термообработки

17.09.2025

Время на чтение минут

Автор:
Пресс-центр ООО "Технологии приборостроения"

Закалка — это один из самых важных видов термической обработки, предназначенный для кардинального повышения твердости, прочности и износостойкости стальных изделий. Суть процесса заключается в строго контролируемом нагреве металла до температур, вызывающих фазовые превращения в его кристаллической решетке, с последующим резким охлаждением для фиксации полученной структуры. Результатом становится изменение физико-механических свойств материала, делающее его пригодным для работы в условиях экстремальных нагрузок и трения.

Содержание

• Суть процесса и физика явления
• Классификация способов закалки
• Оборудование для термообработки сталей
• Температурные режимы закалки сталей
• Технология закалки металла
• Способы охлаждения и их влияние на структуру
• Закаливаемость и прокаливаемость
• Классификация дефектов закалки и их последствия
• Системы контроля качества
• Практические рекомендации по выбору охлаждающих сред

Суть процесса и физика явления

В основе технологии закалки лежит явление полиморфизма железа — его способности менять тип кристаллической решетки при нагреве и охлаждении. Исходной структурой для большинства сталей является феррито-перлитная смесь. При нагреве выше критической точки происходит образование однородной высокотемпературной фазы — аустенита.

Ключевой аспект — скорость охлаждения. Медленное остывание позволяет аустениту распасться обратно на феррит и цементит. Быстрое охлаждение (со скоростью, превышающей критическую) «замораживает» аустенит, не давая ему распасться.

Классификация способов закалки

Закалка стали представляет собой сложный процесс, методы которого систематизируются по двум ключевым признакам: способу нагрева и технологии охлаждения. Выбор конкретного метода определяет конечные свойства изделия, включая твердость, прокаливаемость и уровень остаточных напряжений.

Классификация по способу нагрева. Современные технологии нагрева подразделяются на методы объемного и поверхностного воздействия.

• Объемный нагрев. Муфельные и камерные печи обеспечивают равномерный прогрев всего объема детали до заданной температуры. Применяются для изделий сложной формы, требующих сквозной прокаливаемости. Вакуумные печи позволяют проводить светлую закалку без окисления и обезуглероживания поверхности.
• Поверхностный нагрев. Индукционная закалка (ТВЧ) позволяет точно контролировать глубину упрочненного слоя при сохранении вязкой сердцевины, идеальна для шестерен, валов и других деталей, работающих на трение. Обработка поверхности пламенем газовой горелки отличается простотой и низкой стоимостью, но не дает возможности точного контроля глубины прогрева и равномерности нагрева. Локальный нагрев лучом лазера обеспечивает высочайшую точность и минимальные деформации, задействуется для упрочнения сложноконтурных поверхностей и мелких деталей, однако мощность оборудования ограничивает область применения.

Классификация по способу охлаждения. Способ охлаждения является определяющим фактором для формирования конечной структуры и свойств стали.

• Непрерывная закалка в одной среде.

Нагретое изделие полностью погружается в охлаждающую жидкость (вода применяется для углеродистых сталей, масло — для легированных) и остается там до полного охлаждения. Способ отличается простотой и технологичностью, но требует высоких термических напряжений, приводящих к риску коробления и трещинообразования. Подразумевает последующий отпуск.

• Прерывистая закалка в двух средах.

Комбинированный метод, включающий два этапа — быстрое охлаждение в интенсивной среде (воде) и медленное окончательное охлаждение в мягкой среде (масле, воздухе) для снижения внутренних напряжений.

• Ступенчатая закалка.

Деталь охлаждается в среде (расплаве солей, щелочей), температура которой на 20—30 °C выше точки начала мартенситного превращения (Мн). После выдержки для выравнивания температуры по всему сечению изделие охлаждается на воздухе.

• Изотермическая закалка.

Отличается от ступенчатой длительной выдержкой в закалочной ванне. Аустенит не превращается в мартенсит, а распадается с образованием бейнита — структуры, сочетающей высокую прочность с хорошей вязкостью. Способ характеризуется отсутствием необходимости в отпуске, минимальными деформациями и напряжениями.

• Закалка с самоотпуском.

Метод, при котором деталь извлекается из охлаждающей среды в момент, когда ее сердцевина еще сохраняет остаточное тепло. Это тепло прогревает поверхностные закаленные слои до температуры отпуска, снижая их хрупкость.

Выбор конкретного способа закалки является компромиссом между требованиями к твердости, необходимостью минимизировать деформации и технологическими возможностями производства.

Оборудование для термообработки сталей

Технологический комплекс для проведения закалки включает две принципиально разные группы оборудования: установки для нагрева и системы охлаждения. Современное производство использует широкий спектр аппаратуры, обеспечивающей точный контроль температурных и временных параметров процесса.

Оборудование для нагрева — муфельные и камерные печи сопротивления, соляные ванны, вакуумные печи, индукционные установки (ТВЧ), лазерные комплексы. Они обеспечивают локальный бесконтактный нагрев с минимальной зоной термического влияния.

Для охлаждения задействуются открытые ванны, ванны с принудительной циркуляцией, установки для струйного охлаждения, вода и водные растворы, минеральные масла, расплавы солей и газовые среды.

Температурные режимы закалки сталей

Температура закалки является критическим параметром, определяющим полноту фазовых превращений и конечные свойства материала. Режимы выбираются исходя из химического состава стали, прежде всего содержания углерода и легирующих элементов.

Температурные режимы для основных марок сталей обозначены в таблице ниже.

Технология закалки металла

Технологический процесс закалки требует строгого соблюдения параметров нагрева и охлаждения для минимизации дефектов и обеспечения заданных свойств.

1. Фаза нагрева.
   • Скорость нагрева для углеродистых сталей выше, чем для легированных, ускоренный нагрев допустим для деталей простой формы.
   • Выдержка при температуре определяется толщиной сечения (1—1,5 мин на 1 мм сечения). Она осуществляется для завершения фазовых превращений.
   • Защита от обезуглероживания подразумевает нагрев в защитных атмосферах или использование паст-ингибиторов.
2. Фаза охлаждения.
   • Минимальная скорость, предотвращающая распад аустенита в перлитной области, для углеродистых сталей выше, чем для легированных.
   • Управление скоростью достигается выбором среды охлаждения и ее температурой.

Особенности закалки разных групп сталей:

• Углеродистые стали склонны к короблению и трещинообразованию. Рекомендуется закалка в воде с последующим немедленным отпуском.
• Прокаливаемость легированных сталей повышена. Допустимо охлаждение в масле или воздухе.
• Высокий риск обезуглероживания имеет место у инструментальных сталей. Требуется нагрев в соляных ваннах или защитных атмосферах.

Контроль качества после закалки включает измерение твердости, металлографический анализ структуры и проверку на отсутствие трещин.

Способы охлаждения и их влияние на структуру

Современная классификация методов охлаждения охватывает несколько технологических подходов.

1. Непрерывное охлаждение — традиционный метод погружения детали в одну среду (воду, масло или полимерный раствор) до полного остывания. Применяется для изделий простой конфигурации из углеродистых сталей.
2. Прерывистое охлаждение — двухстадийный процесс с последовательным использованием сред разной охлаждающей способности. Пример — быстрое предварительное охлаждение в воде с последующим переводом в масло для снижения термических напряжений.
3. Изотермическая обработка — охлаждение до температур промежуточной стабильности аустенита с выдержкой для бейнитного превращения. Позволяет получать структуры с уникальным сочетанием прочности и вязкости.

Скорость охлаждения стали зависит от среды, в которую она помещена. Это демонстрирует таблица ниже.

Закаливаемость и прокаливаемость

Закаливаемость представляет собой способность стали достигать определенного уровня твердости в результате термической обработки. Этот показатель напрямую коррелирует с содержанием углерода, минимальный эффективный порог которого составляет 0,2 %. Оптимальные показатели твердости достигаются при концентрации углерода 0,65—0,75 %.

Прокаливаемость характеризует способность стали формировать закаленный слой конкретной глубины. Ключевым параметром выступает критический диаметр, определяющий максимальное поперечное сечение с мартенситным преобразованием.

Классификация дефектов закалки и их последствия

Процесс закалки сталей, несмотря на кажущуюся простоту, представляет собой сложный технологический процесс, при реализации которого малейшее отклонение от оптимальных параметров может привести к возникновению различных дефектов.

Поверхностные недостатки относятся к наиболее распространенным проблемам термической обработки. Обезуглероживание проявляется как утрата углерода в поверхностном слое, приводящая к значительному снижению твердости. Этот процесс ухудшает механические свойства и создает зоны с переменной износостойкостью. Окалинообразование — это формирование оксидных слоев, которые ухудшают внешний вид изделия и служат источником напряжений, способствующих дальнейшему разрушению.

Список объемных нарушений включает трещинообразование и деформацию изделий. Трещины обычно возникают вследствие термических напряжений, превышающих предел прочности материала, в то время как деформация является результатом неравномерного охлаждения и фазовых превращений по сечению детали.

Структурные аномалии проявляются как неоднородность твердости с наличием локальных участков с недостаточным структурным преобразованием. Эти дефекты критичны для ответственных деталей, эксплуатируемых в условиях переменных нагрузок.

Системы контроля качества

Современные предприятия внедряют многоуровневую систему контроля качества. Неразрушающий контроль подразумевает магнитопорошковую дефектоскопию для выявления поверхностных нарушений, ультразвуковой мониторинг внутренних напряжений и вихретоковый анализ структурной однородности.

Перечень лабораторных исследований включает металлографический анализ микроструктуры с использованием электронной микроскопии, измерение твердости и рентгеноструктурный тест фазового состава.

Практические рекомендации по выбору охлаждающих сред

Характеристики охлаждающей среды являются важнейшим фактором успешной закалки. Для углеродистых сталей рекомендованы солевые растворы 8—12 %, обеспечивающие интенсивное охлаждение. Легированные стали требуют более мягких сред — минеральных масел марки И-20. Инструментальные стали обрабатываются с применением многоступенчатого охлаждения, в то время как высоколегированные — лучше всего реагируют на газодинамическое охлаждение.

Внедрение современных технологий закалки требует глубоких знаний металловедения и использования высокоточного оборудования. Наша компания предлагает профессиональное консультирование по выбору оптимальных режимов закалки и поставку промышленных установок последнего поколения.