Закалка стали У8

Химический состав и процесс обработки

Название У8 свидетельствует о том, что в составе сплава есть углерод в количестве 0,76-0,83%. Основная доля (97%) – это железо. Среди прочих добавок:

• марганец (0,17-0,33%) – снижает пластичность, увеличивая твёрдость металла;
• кремний (0,17-0,33%) – отвечает за упругость сплава, скорость его охлаждения, стойкость к воздействию влаги;
• сера (0,28%) – повышает стойкость к истиранию клинка, качество его заточки;
• никель (0,25%) – увеличивает стойкость к разрушению от коррозии;
• хром (0,2%) – способствует росту показателей прочности, крепости, коррозионной стойкости;
• фосфор (0,03%) – высокое содержание этого элемента делает металл хрупким;
• медь (0,25%) – отвечает за стойкость к коррозии.

Для придания стали У8 заявленных характеристик, сплав подвергается особой термической обработке. Во время прерывистой закалки заготовки нагревают до температуры 780С, после в воде охлаждают до 400С.

Таблица химического состава.

Дальнейшее охлаждение производится в ёмкостях с маслом, что замедляет процесс, снижая структурные напряжения в металле. В итоге заготовки для изготовления ножей приобретают повышенные показатели прочности, твёрдости, стойкости к ударам и повреждениям.

Химический состав и процесс обработки

Название У8 свидетельствует о том, что в составе сплава есть углерод в количестве 0,76-0,83%. Основная доля (97%) – это железо. Среди прочих добавок:

• марганец (0,17-0,33%) – снижает пластичность, увеличивая твёрдость металла;
• кремний (0,17-0,33%) – отвечает за упругость сплава, скорость его охлаждения, стойкость к воздействию влаги;
• сера (0,28%) – повышает стойкость к истиранию клинка, качество его заточки;
• никель (0,25%) – увеличивает стойкость к разрушению от коррозии;
• хром (0,2%) – способствует росту показателей прочности, крепости, коррозионной стойкости;
• фосфор (0,03%) – высокое содержание этого элемента делает металл хрупким;
• медь (0,25%) – отвечает за стойкость к коррозии.

Для придания стали У8 заявленных характеристик, сплав подвергается особой термической обработке. Во время прерывистой закалки заготовки нагревают до температуры 780С, после в воде охлаждают до 400С.

Таблица химического состава.

Дальнейшее охлаждение производится в ёмкостях с маслом, что замедляет процесс, снижая структурные напряжения в металле. В итоге заготовки для изготовления ножей приобретают повышенные показатели прочности, твёрдости, стойкости к ударам и повреждениям.

Плюсы стали

• Идеальная углеродистая сталь. Таковой считается ножевая сталь с балансом твердости с жесткостью, который можно увидеть при помощи шкалы Роквелла. Она может быть от 42 до 61 HRC. Чем выше данная шкала, тем материал более ломкий и хрупкий. А если же все наоборот, твердость лишь 42, то такая сталь не будет стойкой. У8 имеет 58 HRC по шкале Роквелла, что создает нужный баланс.
• Прочность. Сталь У8 на 97% состоит из железа, а значит ножи из нее будут отличаться неимоверной устойчивостью. Сломать их практически невозможно.
• Острота без постоянной заточки. Углерод делает сталь прекрасным режущим средством. На протяжении нескольких месяцев не нужно даже думать о том, что нож затупился. Да и, если понадобилось его заточить, то это сделать довольно просто, воспользовавшись обычными абразивными брусками.
• Качество материала. При обработке данной стали с другим металлом, можно быть уверенным, что они не сольются вместе. А значит качество никак не пострадает.
• Маловероятное приобретение флокенов, то есть дефектов. Сталь У8 никак не повредится даже при сильных ударах и вибрациях. Никаких микротрещин не может появиться на данном металле.
• Оружейный материал. У8 используют при создании шпаг, ведь в ее составе нет вторичных карбидов, что обозначает однородность металла при ковке, а также высокую пластичность. То есть при кузнечной сварке очень легко получить качественное оружие. Неслучайно в составе дамасской стали, самой популярной и изящной в изготовлении оружия, можно обнаружить данный сплав.
• Популярность не только для изделия выше перечисленных клинков, но и бытовых ножей. Также У8 подходит для инструментов, не связанных с разогревом режущей кромки, — фрез, зенковок, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек.
• Низкая себестоимость. У8 не имеет легированных добавок, поэтому ее цена в пределах разумного.

Процедура охлаждения

Рассматривая все виды закалки стали стоит учитывать, что не только температура нагрева оказывает сильное воздействие на структуру, но и время выдержки, а также процедура охлаждения. На протяжении многих лет для охлаждения сталей использовали обычную воду, в составе которой нет большого количества примесей. Стоит учитывать, что примеси в воде не позволяют провести полную закалку с соблюдением скорости охлаждения. Оптимальной температурой воды, используемой для охлаждения закалённой детали, считают показатель 30 градусов Цельсия. Однако стоит учитывать, что жидкость подвергается нагреву при опускании раскаленных заготовок. Холодная проточная вода не может использоваться при охлаждении.

Обычно используют воду при охлаждении для получения не ответственных деталей. Это связано с тем, что изменение атомной сетки в данном случае обычно приводят к короблению и появлению трещин. Закаливание с последующим охлаждением в воде проводят в нижеприведенных случаях:

1. При цементировании металла.
2. При поверхностной закалке.
3. При простой форме заготовки.

Для придания нужной твердости заготовкам сложной формы используют охлаждающую жидкость, состоящую из каустической соды, нагреваемой до температуры 60 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что закаленное железо при использовании данной охлаждающей жидкости приобретает более светлый оттенок

Специалисты уделяют внимание важности соблюдения техники безопасности, так как могут выделяться токсичные вещества при нагреве рассматриваемых веществ

Процесс закалки стали

Тонкостенные детали также подвергаются термической обработке. Закалочное воздействие с последующим неправильным охлаждением приведет к тому, что концентрация углерода снизиться до критических значений. Выходом из сложившейся ситуации становится использование минеральных масел в качестве охлаждающей среды. Используют их по причине того, что масло способствует равномерному охлаждению. Однако попадание воды в состав масла становится причиной появления трещин. Поэтому заготовки должны подвергаться охлаждению при использовании масла с соблюдением мер безопасности.

Рассматривая назначение минеральных масел в качестве охлаждающей жидкости следует учитывать и некоторые недостатки этого метода:

1. Соблюдая режимы нагрева можно создать ситуацию, когда раскаленная заготовка контактирует с маслом, что приводит к выделению вредных веществ.
2. В определенном интервале воздействия высокой температуры масло может загореться.
3. Подобный метод охлаждения позволяет выдержать требуемую твердость, измеряемую в определенных единицах, а также избежать появления трещин в структуре, но на поверхности остается налет, удаление которого также создает весьма большое количество проблем.
4. Само масло со временем теряет свои свойства, а его стоимость довольно велика.

https://youtube.com/watch?v=I-br0B8ocpI

Какие именно жидкости используют для охлаждения стали?

Вышеприведенная информация определяет то, что жидкость и режим охлаждения выбираются в зависимости от формы, размеров заготовки, а также того, насколько качественной должна быть поверхность после закалки.  Комбинированным методом охлаждения называется процесс применения нескольких охлаждающих жидкостей. Примером можно назвать закалку детали сложной формы, когда сначала охлаждение проходит в воде, а потом масляной ванне. В этом случае учитывается то, до какой температуры на каком этапе охлаждается металл.

Температурный режим

Закалка — это превращение аустенита в мартенсит. На производстве при выборе температур термообработки пользуются диаграммой «железо-углерод». Температуру закалки углеродистых сталей определить очень легко. Нагрев конструкционной стали с содержанием углерода менее 0,8% доводят до температур, расположенных над линией GS и выше точки Ас3 на 30-50 градусов. Нагрев сталей, содержащих более 0,8% углерода, проводят при температурах на 30-50 градусов выше тех, которые расположены выше линии PSK. Температуру закалки легированной стали также выбирают, исходя из критических точек, но данный процесс много сложнее, так как помимо углерода такие стали содержат и другие компоненты.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

• вода;
• раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
• минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

https://youtube.com/watch?v=vUaDCaVcjac

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Способы закалки

Суть любой закалки — превращение аустенита в мартенсит (диаграмма «железо-углерод»). В зависимости от температурного режима, закалка может быть полной или неполной. Первым способом закаливают инструментальную сталь, а вторым — цветную.

При закалке могут использоваться один или несколько охладителей. От этого также зависит способ термообработки. В зависимости от охлаждающей среды, термическая обработка металла может быть:

• с использованием одного охладителя;
• с подстуживанием;
• прерывистой;
• ступенчатой;
• изотермической.

Закалка в одном охладителе

Данный метод применяется для термообработки простых деталей, изготовленных из легированной и углеродистой стали. Деталь нагревается до необходимой температуры, а затем охлаждается в жидкости. Углеродистую сталь диаметром от 2 до 5 мм охлаждают в воде, детали меньшего диаметра и всю легированную сталь — в масле.

Закалка с подстуживанием

При термообработке с одним охладителем часто возникают состояния термического и структурного внутреннего напряжения. Развиваются они в том случае, когда разность температур достигает минимума. На поверхности металла образуется напряжение растяжения, в центре — напряжение сжатия. Чтобы данные напряжения уменьшить, перед тем, как опустить нагретую деталь в жидкость, её недолго держат на открытом воздухе. Температура детали в данном случае не должна быть ниже линии 0,8К по диаграмме «железо-углерод».

Прерывистая

Эту закалку проводят в двух средах — воде и масле или воде и воздухе. Нагретую до критической точки деталь сначала быстро охлаждают в воде, а потом медленно в масле или на открытом воздухе. Такой способ термообработки применяют для высокоуглеродистой стали. Этот метод — сложный, так как время охлаждения в первой среде очень мало и определить его сможет лишь специалист высокой квалификации.

Ступенчатая

При прерывистой термообработке деталь охлаждается неравномерно — более тонкие поверхности быстрее, чем все остальные. К тому же очень трудно отрегулировать время нахождения детали в первой среде (воде). Поэтому лучше использовать ступенчатую закалку. Данный метод позволяет охлаждать деталь в среде при температуре, превышающей мартенситную точку. Первая ступень — охлаждение и выдержка детали в данной среде до того момента, когда все сечения детали достигнут одной и той же температуры. Вторая ступень — окончательное медленное охлаждение (преобразование аустенита в мартенсит).

Изотермическая

При изотермической термообработке деталь нагревают до критической точки, а затем опускают в масляную или соляную ванну температурой 250 градусов. Выдерживают полчаса, а далее остужают на открытом воздухе. Такая закалка обеспечивает высокую конструкционную прочность и применяется для легированных и конструкционных сталей, у которых распад аустенита в промежуточной области не происходит до конца. В дальнейшем он превращается не в мартенсит, а в бейнит + 20% остаточный аустенит, обогащённый углеродом. Такой закалкой можно достичь высокой прочности при хорошей вязкости.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Заключение

Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.

Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.

• Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.
• Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин, и др. Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• ГОСТ 1435-99 Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия