Структура стали после закалки и отпуска

Предварительная обработка – отжиг

При отжиге происходят первое и второе основные превращения стали: перлита в аустенит и аустенита в перлит.

Температура нагрева должна быть лишь немного выше Ас₁, чтобы сохранить нерастворенной большую часть избыточных карбидов и получить структуру зернистого перлита. Температура нагрева при отжиге стали 9ХВГ в соответствии с таблицей 2 – 770-800°С.

Выдержка в течение 30-60 мин после прогрева обеспечивает растворение той части карбидов, которая может быть переведена в аустенит при данной температуре, а также обеспечивает выравнивание в нем концентрации углерода и легирующих элементов.

Возможны два режима охлаждения:

1. Замедленное, обеспечивающее получение твердости, как в состоянии поставки. Заготовку охлаждают со скоростью 50 – 60°С/ч до температуры изотермической выдержки (670-720°С), а затем выдерживают для завершения распада аустенита с образованием феррито-карбидной структуры. Время распада аустенита при температуре изотермической выдержки составляет от 20 до 60 мин. Дальнейшее охлаждение можно выполнять на воздухе. Однако для уменьшения напряжений рекомендуется заготовки сложной формы охлаждать с печью до 550-600°С.

2. Очень медленное охлаждение со скоростью 20-30°С/ч до тех же температур изотермической выдержки. После окончания выдержки снова следует медленное охлаждение 60-80°С/ч до 500°С, а затем на воздухе или с печью. Твердость после отжига по указанному режиму на 15-20 НВ ниже твердости в состоянии поставки. В этом случае еще больше снижаются предел текучести предел прочности.

Состав стали

Если сталь применяется для изготовления настолько прочных инструментов, то, следовательно, она сама обладает если не выдающимися, то весьма показательными характеристиками. Стали ХВГ подобные свойства достались благодаря насыщенному составу, в котором каждый отдельный элемент придает сплаву определенные свойства. Вот полный список этих самых легирующих элементов и их процентное отношение:

1. Железо — около 94 %. Элемент, являющий собой основную массу стального сплава, а также связующий элемент для всех остальных легирующих добавок.
2. Углерод — 1,25 %. Наиболее важная добавка, так как именно углерод придает мягкому по своей природе железу прочность и твердость. Его содержание в составе более — 1 %, что автоматически причисляет сталь к разряду высокоуглеродистых.
3. Марганец — 0,95 %. Увеличивает износостойкость сплава, устойчивость к нагрузкам, прочность, прокаливаемость и уменьшает риск деформации при закалке.
4. Хром — 1,5 %. Как ни странно, и этот легирующий элемент призван улучшить прочностные характеристики стали ХВГ, а также ее прокаливаемость и снизить рост зерен карбидов после термообработки.
5. Вольфрам — 1,4 %. Увеличивает прочностные характеристики металла, значительно повышает жаростойкость.
6. Кремний — 0,25 %. Добавляет готовому изделию пластичности, однако незначительно нивелирует твердость.
7. Медь, никель, молибден, сера и фосфор — в районе 0,3 % от общей массы сплава. При таком незначительном содержании ярко выраженных положительных или отрицательных свойств сплаву не прибавляют.

Марка стали 65Г характеристики, применение, расшифровка, аналоги и заменители, термообработка

Сталь для ножей представляет собой сочетание углерода и железа. В зависимости от предназначения и требуемых качеств, пропорции могут значительно отличаться. Кроме этого, для достижения высоких показателей прочности, долговечности и твердости, могут применяться различные добавки и компоненты, улучшающие свойства исходного материала.

задача большинства оружейников – разработать или воспроизвести такую сталь для ножа, которая будет иметь высокую прочность и при этом не менее высокую твердость.

На сегодняшний день, одной из самых популярных сталей для ножей принято считать сплав 65г. Именно о ней и пойдет речь далее.

Технология изготовления ножа

Работу следует начать с подбора подходящего материала. Лезвие клинка должно удовлетворять некоторым обязательным требованиям:

• Быть удобным в эксплуатации для тех или иных целей (нож грибника и нож охотника – совершенно различные инструменты);
• Быть прочным, выдерживать возможные ударные нагрузки без разрушения клинка;
• Быть острым и максимально долго сохранять заточку;
• По возможности быть стойким к коррозии.

Вариантов заготовок для домашнего мастера достаточно много. Одним из наиболее доступных является плоский напильник. Даже инструмент со сработанной насечкой может быть легко превращен в удобный, практичный, долговечный нож.

Плюсы стали 65г

Несомненно, большой популярностью эта сталь пользуется не только благодаря низкой стоимости производства, но и по другим, немаловажным пунктам:

• Очень высокая твердость. Это означает, что при существенных нагрузках материал не будет деформироваться, ломаться или разрушаться.
• Большая устойчивость к ударам, деформациям. Именно за это качество, такую сталь принято использовать для метательных ножей, клинков, реже – для медицинских инструментов.
• Простота в заточке.
• Высокая сопротивляемость разрыву.

Стоит отметить, что цифра «65» в названии означает процентное содержание углерода в составе сплава в сотых долях. Буква «Г» говорит о том, что основной легирующий элемент это Марганец. Именно благодаря ему, сплав приобретает большинство вышеописанных свойств.

Выбор формы спусков

Геометрия спусков или форма поперечного сечения клинка выбираются исходя из назначения ножа и предполагаемой сферы применения. Чаще всего встречаются такие профили:

1. Прямой клин от обуха. Сечение представляет собой равнобедренный треугольник. Наиболее универсальная форма, сочетающая в себе устойчивость режущей кромки к ударам умеренной силы и невысокое сопротивление во время реза.
2. Вогнутые спуски. Такой профиль характерен для опасных бритв: очень нежная режущая кромка, не терпящая ударов и боковых нагрузок, высокие режущие качества. Ножи с таким профилем удобны при небольшой глубине реза, с ее увеличением значительно возрастает сопротивление.
3. Выпуклая линза. Наиболее простой в освоении профиль. Линзовидные клинки предназначены для тяжёлых работ и особенно популярны у туристов и выживальщиков. Один из самых известных примеров – шведский Fallkniven «F1»

Существуют также несимметричные спуски, например, у традиционных японских ножей, которыми пользуются профессиональные повара. Для их выведения необходим определенный опыт и специальное оборудование.

Выбор оптимального режима термической обработки

В зависимости от конкретных производственных условий, сталь термически обрабатывают по двум вариантам:

1. Нормализацией при температуре выдержки 1050…1100 °С, с последующим высоким отпуском с 600…650 °С. Нормализация стабилизирует структуру стали, снижает количество остаточного аустенита, и улучшает обрабатываемость на металлорежущих станках. Это позволяет использовать такую технологию термообработки для получения заготовок ступенчатых валов и осей, работающих преимущественно в средах с повышенной влажностью, а также в условиях коррозионно-механического износа.
2. Ступенчатой закалки с высоким отпуском. Продолжительность и количество циклов закалки зависит от требуемой поверхностной твёрдости и конечной микроструктуры. Закалка стали 40Х13 по такому способу выполняется для изделий, которые в процессе своей эксплуатации периодически подвергаются ударным нагрузкам.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

При выборе режима термообработки необходимо учитывать, что сталь 40Х13 штампуется при температурном интервале 950…1150 °С: именно в этом диапазоне материал обладает максимальной ковкостью.

Во всех случаях сталь перед обработкой подвергают отжигу. Это связано со следующими особенностями:

• наличием карбидов хрома, которые образуются в процессе горячей прокатки заготовок. Они сосредотачиваются на границах зёрен вокруг основной, более пластичной структуры;
• присутствием цементита, который по структуре и размерам зерна отличается от любого их карбидов хрома. Это вызывает остаточные напряжения растяжения, снижающие прочность;
• опасности избыточного количества остаточного аустенита, который также повышает твёрдость и снижает пластичность;
• склонности данной стали к деформационному упрочнению во время пластической деформации.

Опытным путём установлено, что для получения оптимальной макроструктуры режим отжига должен быть следующим: нагрев до 690…730 °С, с выдержкой до полного прогрева сечения детали и последующим охлаждением вместе с печью до 500…550 °С (далее – на воздухе). Конечная структура – зернистый перлит, которые положительно выделяется своей стабильностью, равновесностью и наличием мелкого зерна.

Технология термообработки

Нормализация стали 40Х13 применяется реже, в основном, после горячей штамповки/ковки, когда слиток или заготовка нагревались до максимально возможных температур. При длительном нагреве ускоряется рост зерна, что нежелательно с точки зрения трудоёмкости при окончательной обработке изделий. Нормализация, однако, необходима, если нормализованная и отпущенная деталь имеет сложную форму, с многочисленными перепадами в поперечных сечениях, а также при наличии острых углов и кромок.

Главная цель закалки — обеспечить достаточный процент мартенсита в стали. Такие требования выдвигаются, если деталь при эксплуатации будет испытывать значительные рабочие напряжения. Максимально достигаемая твёрдость после закалки – обычно 50…55 НRC. Обеспечивается это следующим режимом термобработки: закалкой с 1000…1050 °С в масло, с последующим низким — при 230…280 °С – отпуском.

В связи с низким температурным интервалом термообработки нагрев производят в печах скоростного нагрева, имеющих системы высокоточного автоматического контроля температуры.

Особые требования к соблюдению технологических режимов закалки стали 40Х13:

1. Температура сред, используемых для охлаждения изделий после их закалки, должна быть на 50…75 °С ниже температуры окончания мартенситного превращения. Оно для рассматриваемой марки стали составляет 650…670 °С. В качестве таких сред используются масло, щёлочные или солевые расплавы. Например, соответствующими возможностями обладает расплав солей KNO₃ и NaNO₃ в соотношении 1:1. Масляные ванны менее предпочтительны, поскольку при длительных выдержках металл науглероживается. Это, хоть и повышает дополнительно твёрдость, но ухудшает обрабатываемость заготовок, особенно при точении и фрезеровании.
2. Время выдержки изделий при закалке и последующем охлаждении составляет до нескольких часов. Такой длительный период выдержки обусловлен необходимостью создать условия для полного мартенситного превращения.
3. Скорость дальнейшего (после отпуска) охлаждения закалённых заготовок особого значения не имеет, и определяется только производственными возможностями. При этом предпочтительнее охлаждать детали не в печи, а на открытом, но спокойном воздухе. В таких условиях мартенситное превращение протекает в полном объёме.

Описание процесса

Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием. В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката. Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.

Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно. Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны). Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).

Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:

• Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
• Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут.  Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
• Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.

Защита изделия от окалины и обезуглероживания

Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.

Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.

Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.

Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.

Выбираем конструкционную сталь. Характеристики стали 3, 20 и 45, 40х

Сталь ст 3

Сталь 3 (ст3) входит в список конструкционных углеродистых стали. Продукция выпускается различных видов в форме сортового и листового проката. Свойства этого вида стали являются условием для включения их к группе А, вот почему в ее наименовании отсутствуют дополнительные обозначения – ст3. Сталь данного типа производится методом сварки и давления, без горячей или другой дополнительной обработки. При этом используется углеродистая сталь 3.

Представим расшифровку стали 3: «ст» обозначает «сталь», а цифра – номер марки. Процент содержания углерода в данном виде стали указан в номере, и необходимо знать – чем выше номер, тем выше содержание углерода. После номера марки иногда указывается степень раскисления продукта, по параметрам которого сталь подразделяют на кипящие (кп), спокойные (сп) и полуспокойные (пс). Благодаря хорошей свариваемости и простоте данная марка применяется в различных металлических конструкциях и в строительстве.

Сталь 20 и 45

Данные виды стали относятся к качественным углеродистым конструкционным. Являясь низкоуглеродистой, сталь 20 характеризуется отличной свариваемостью, пластичностью и штамповкой. Сталь 20 с такими характеристикам, как правило, используется в производстве разных видов деталей для крепежа – валики, оси и т.д. Данный вид продукции может дополнительно цементироваться, что увеличивает прочность поверхности, одновременно насыщаясь углеродом.

Сталь 45 является среднеуглеродистой качественной конструкционной, особенность которой – невосприимчивость к сварке. В ее характеристики входит также повышенная прочность и, в то же время, низкая вязкость и пластичность. Способ термообработки деталей зависит от условий, в которых протекает работа, где применяются нормализация и улучшение, а также закалка с низким отпуском и ТВЧ. Сталь 45 применяется в производстве деталей небольшого размера: зубчатые колеса, валы, шатуны и детали, подвергающиеся циклическим нагрузкам.

Сталь 40х

Указанный вид стали относится к хромистым конструкционным улучшаемым легированным. Цифры в начале названия показывают процент содержания углерода, а буквы – легирующие элементы. Буква «х» в свою очередь обозначает применение хрома в производстве стали 40х.

Из нее чаще изготавливают средненагруженные детали небольшого размера, причем, чем выше содержание углерода в данной линейке стали, тем выше прочность и ниже пластичность и вязкость. Кроме этого, стали из хрома характеризуются довольно низкой прокаливаемостью

Обработка инструментальных сплавов

Высокий, средний и низкий отпуск стали годятся только для температурной обработки сплавов, содержащих менее 0,7% углерода. Для сплавов с более высоким содержанием углерода (их называют инструментальными) используются другие способы. Рассмотрим основные технологии:

Не рекомендуется делать отпуск быстрорежущих инструментальных сплавов, поскольку они содержат молибден, кобальт, вольфрам, ванадий. Эти элементы устойчивы к нагреву, поэтому они не меняют своих физико-химических свойств при отпускном нагреве. Вместо отпуска рекомендуется делать многоступенчатую закалку: для этого материал поэтапно нагревается до 800, 1050 и 1200 градусов — после этого выполняется резкое охлаждение сплава в масляной среде.
Обработку обычных инструментальных сплавов рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала происходит закалка материала в расплавах солей при температуре 450-500 градусов. После этого выполняется второй этап — двойной отпуск при температуре 550-600 градусов (не более 1 часа)

Обратите внимание, что при нагреве инструментальных сплавов возможность возникновения отпускной способности второго рода исключается.

Закалочные среды [ править | править код ]

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Другие методы термической обработки

Кроме нормализации, термическая обработка стали включает в себя такие процессы:

• отжиг;
• закалка;
• отпуск;
• обработка криогенным способом;
• дисперсионное твердение.

Принцип выполнения и цели у каждой технологии одинаковые, однако, каждая имеет свои отличительные особенности:

• отжиг — благодаря ему структура перлита будет максимально тонкой, поскольку охлаждение происходит в печи. Отжиг позволяет снизить структурную неоднородность, а также напряжение после обработки посредством литья или под давлением, придать структуре мелкозернистость или улучшить обработку резанием;
• закалка — принцип технологии такой же, но температуры более высокие по сравнению с нормализацией и скорость охлаждения тоже выше. Процесс происходит в жидкостях. Благодаря закалке повышается прочность и твердость материала, а детали в итоге будут иметь низкую ударную вязкость и хрупкость;
• отпуск — отпуск, выполняемый после закалки, снижает напряжение и хрупкость. С этой целью материал прогревается до малой температуры и охлаждается на улице. На фоне повышения температуры предел прочности и твердость падают, и повышается ударная вязкость;
• криогенная обработка — благодаря ей материал будет иметь равномерную структуру и твердость, эта технология максимально подходит для закаленной углеродистой стали;
• дисперсионное твердение — окончательная обработка, в ходе которой дисперсные частицы выделяются в твердом растворе после закалки при малом нагреве для придания материалу прочности.

Для выполнения термической обработки потребуется следующее:

• баки с водой и маслом;
• бумага шлифовальная;
• микроскоп металлографический;
• печь с термоэлектрическим пирометром;
• твердомеры по Роквеллу;
• наборы микрошлифов (сорбит, мартенсит, феррит-мартенсит и т. д. ).