Закалка стали У8

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

Минусы сплава У10А

Нож, вылитый из стали У10А и закаленный до 52 hrc снискал славу самого острого, клинок долго сохраняет остроту, но боится ударов. Высокая твердость материала усложняет заточку клинкам в полевых условиях. Отличным решением проблемы станет сочетание сплава марки У10А в пакете с инструментальной сталью 7ХНМ. Данная технология изготовления композита освоена «ЗЗОСС». Конечный продукт обладает качествами, свойственными дамасским ножам. Единственным недостатком сплава У10А-7ХНМ выступает подверженность коррозии. Своевременный уход позволит продлить полезные свойства ножа.

Расшифровка сплава

При рассмотрении того, как проводится у8а расшифровка стали, отметим, что в различных странах применяются разные стандарты обозначения. Обозначение материала У8 или У8а проводится согласно стандартам ГОСТ:

1. Буква «У» указывает на принадлежность материала к группе инструментальных сталей. Подобный символ не указывает на какой-либо компонент или свойство.
2. Следующая цифра в десятичной форме указывает на концентрацию основного компонента — углерода. В рассматриваемом случае концентрация 0,8%.
3. Если проводить расшифровку У8а, то следует учитывать, что буква «А» указывает на повышенное качество, которое достигается путем исключения из состав различных вредных примесей или снижения их концентрации.

В маркировке отсутствуют другие обозначения веществ, но в химическом составе присутствует довольно большое количество различных примесей. Примером можно назвать кремний и марганец. Кроме этого, есть и вредные примеси, к примеру, фосфор и сера, от концентрации которых зависит качество стали. С повышением концентрации вредных примесей ухудшаются эксплуатационные качества материала, теряется прочность и твердость.

У8 — классическая ножевая сталь

Марку У8 относят к эвтектоидным сталям. То есть, наличие чистого углерода, равно тому, который находится в цементите перлита. Это обозначает что в составе стали отсутствуют вторичные карбиды. Это привело к появлению ряда тонкостей, возникающих при работе со сталью У8 и ее аналогами.

К примеру, в составе У8 их отсутствие гарантирует наличие однородной структуры, стали этого типа хорошо обрабатываются сваркой ковкой. Именно поэтому эти сплавы входят в состав дамасских сталей. Но, необходимо помнить и о том, что отсутствие карбидов усложняет процесс термической обработки. В частности, изменение оптимальной температуры закаливания на несколько градусов, приводит к снижению механических свойств, а именно прочности и вязкости.

Важное значение придаётся и предварительной термообработке. Ее задача оптимизировать структуру непосредственно перед закалкой

Надо отметить, что стали марки У8 и ее аналоги обладают низкой прокаливаемостью и в следствие очень чувствительны к длительности времени задержки охлаждения.

В 1997 в нашей стране был разработан и введен в действие ГОСТ Р 51015-97. Он разделяет все ножи на две большие группы:

• хозяйственные;
• бытовые.

К первой группе относят изделия, которые применяют для работы с хлебом, овощами. Ко второй группе относят ножи, предназначенные для обработки мяса. В эту же группу входят изделия, предназначенные для туристов и пр.

В этом же документе определён материал, из которого производят ножевую продукцию — это У8А или У10А. Индекс «А» обозначает, что это стали повышенного качества, в них понижено содержание фосфора и серы. В качестве заготовок применяют прутки и полосы из сталей У8А.

ГОСТ определяет, что твёрдость поверхности должна быть на уровне 49 по HRC, но вместе с тем допускается и производство ножей с твёрдостью поверхности 41,5 HRC.

Стали группы У8 позволяют выдержать параметры, определённые в ГОСТ Р 51015-97.

Бесспорно, кроме, описанного материала допустимо и применение других стальных сплавов, например, 40Х13 или 65Х13. Использование этих сплавов позволяет получить ножи с высокой прочностью и стойкость коррозии. Но использование сталей подобного рода позволяет получением продукции у которой, высокая прочность, стойкость к затуплению, разумеется, при использовании ножей по назначению. Но при резком ударном воздействии возможно получение сколов или трещин на теле клинка. Наличие большого количества легирующих элементов может привести к повышению хрупкости клинка.

Ножи, выполненные из семейства У8 практически не имеет легирующих компонентов, в ГОСТ определено то, что наличие хрома не должно превышать 0,2%, никеля и меди не более 0,25%

Плюсы

К плюсам стали марки У8, которая определена ГОСТ Р 51015-97, как основная для производства хозяйственных и бытовых ножей, можно отнести следующее — после проведения термической обработки, она приобретает достаточную прочность и твёрдость поверхности, достаточной для обеспечения остроты ножа на длительный срок эксплуатации. Острие клинка можно относительно легко заправить, то есть для этого можно использовать обыкновенные абразивные бруски. Такой нож сложно сломать при ударе.

Отпуск и нормализация

Чтобы в структуре стали не образовывались микротрещины, технологией процесса предусмотрена операция отпуска после закалки. На этом этапе изделие разогревают до температуры, которая имеет более низкое значение, чем температура критической точки. Здесь также происходит выдержка материала в течение определенного интервала времени в таком состоянии. Далее следует охлаждение изделия. Все внутренние напряжения после проведения этих мероприятий нейтрализуются, структура кристаллической решетки улучшается, пластичность увеличивается. Для марки стали 40х можно применить три вида отпуска:

1. Отпуск на низких температурах предполагает прогрев детали до предела 250 градусов по Цельсию с выдержкой. Остужают заготовку на открытом воздухе. Термообработка такого характера способствует нейтрализации напряжений при минимальном увеличении пластичности без влияния на твердость. Используется метод редко, так как велика вероятность образования хрупкой структуры.
2. Отпуск на средних температурах. Прогрев здесь идет до 500 градусов по Цельсию. За счет более высокой температуры возрастает вязкость изделия с пропорциональным снижением твердости. Метод подходит для изготовления автомобильных рессор, пружин, другого специфического инструмента.
3. Отпуск на высоких температурах с увеличением прогрева до 600 градусов по Цельсию. В этом случае внутри кристаллической решетки распадается мартенсит, образуя при этом сорбит. На практике это лучший вариант пропорционального соотношения пластичности и твердости. Ударная вязкость при этом также возрастает. Детали, полученные таким образом, можно применять в механизмах, подверженных воздействию ударных нагрузок.

Чтобы избежать повышенной хрупкости при отпуске, охлаждение при этом процессе следует делать быстро в специальной вакуумной камере с системой продувки аргоном. Последние два условия помогут избежать возникновения внутренних дефектов в структуре материала, а именно образования раковин, полостей и деформаций.

Виды обработки стали: отжиг

Отжиг – это один из способов высокотемпературной обработки стали, с которым отлично справится установка ТВЧ. В основе его принципа лежит нагрев металла до заданной температуры, выдержка, а затем медленное охлаждение. Производится отжиг стали для того, чтобы выровнять структуру металла, улучшить пластичность, а также уменьшить напряжение металла, если перед отжигом производились какие-либо другие процессы термической обработки. Отжиг, как и другие виды термообработки стали, подразделяется на подтипы:

1. Отжиг первого рода. Во время произведения данного вида термической обработки не происходит перекристаллизация, называемая фазовыми превращениями. Если данные превращения и произведутся, то на итоговые результаты вовсе не скажутся. Производиться отжиг первого рода может при температуре, которая будет ниже или выше температуры фазовых превращений.
2. Диффузионный отжиг. По-другому называется гомогенизацией. Во время произведения данного вида отжига происходит длительная выдержка изделия в среде, имеющей температуру выше 950 градусов. Диффузионный отжиг позволяет устранить или уменьшить химическую неоднородность стали, которая негативно сказывается на металле, снижая его пластичность и повышая хрупкость. Время выдержки изделия при произведении гомогенизации определятся исходя из параметров и марки стали, однако колеблется в пределах 50-100 часов.
3. Отжиг второго рода. Во время произведения отжига второго рода сталь нагревается до температуры, которая будет выше точек АС1 или АС3 (смотрите изображение 1), затем происходит выдержка и медленное охлаждение. В результате медленного охлаждения фазовые превращения внутри металла приводят к получению почти равновесного состояния структуры металла.
4. Полный отжиг. Еще данный тип отжига называют высоким. Производится он при нагреве металла под температурой, которая будет на 30-50 градусов ниже, чем верхняя критическая точка АС3, также изделие выдерживается при этой температуре, а затем медленно охлаждается вместе с установкой. Полный отжиг позволяет произвести полную перекристаллизацию металла, получив перлитную структуру.
5. Неполный отжиг. До термической обработки сталь имеет слишком высокую твердость и тяжело поддается обработке. Внутри структуры имеется напряжение металла. Неполный отжиг применяется для устранения этого недостатка в виде уменьшения твердости металла. При неполном отжиге сталь нагревают, придерживаясь интервала температур между точкам АС1 и АС3. После произведения неполного отжига металл полностью избавляется от внутреннего напряжения, а сталь становится более податливой.
6. Сфероидизирующий отжиг. Высокоуглеродистая заэвтектоидная сталь, обладающая структурой пластинчатого перлита очень плохо поддается обработке при помощи режущих инструментов, поэтому должен быть произведен сфероидизирующий отжиг для изменения структуры на зернистый перлит. Для это металл нагревают ниже точки АС1, выдерживают при этой температуре несколько часов, а затем остужают. На изображении 2 вы можете заметить схему отжига на зернистый перлит.
7. Изометрический отжиг. Производится для получения ферритно-перлитовой смеси из аустенита при постоянной температуре. Изометрический отжиг предусматривает нагрев стали на 30-50 градусов выше точек АС3 или АСm, выдержку при соблюдении этой температуры и дальнейшее охлаждение до температуры перлитного превращения, которая как правило равняется 620-680 градусов, а затем снова выдерживают до конечного превращения аустенита в перлит.
8. Рекристализационный отжиг. По-другому называется разупрочняющим отжигом. Рекристализационный отжиг производится в отношении изделий, которые были подвержены наклепу металла, и кристаллическая решетка которых исказилась. Разупрочняющий отжиг производится при температуре ниже точки АС1, то есть 630-650 градусов.
9. Светлый отжиг. Производится для того, чтобы сохранить блестящую и чистую поверхность стальных листов, лент, прутков и т.п.

Как видите, существует немало видов отжига, позволяющих добиться нужных изменений в структуре металла. Установка ТВЧ способна с высокой точностью и хорошим качеством производить отжиг стали, приводя ее структуру в нужное состояние.

Отпуск и старение металла

Часто путём закалки повышается не только твёрдость металла, но и его хрупкость, поэтому необходимо выполнять ещё один этап — отпуск, при котором прочность и твёрдость несколько снижаются, но материал становится более пластичным. Делают отпуск при температуре, ниже, чем в предыдущем процессе, и охлаждают металл постепенно. Можно проводить закалку без изменения структуры металла (полиморфного превращения). В этом случае не возникнет проблем с хрупкостью, но необходимая твёрдость не будет достигнута. А повысить её удастся путём ещё одного процесса термообработки, называемого старением. При старении происходит распад пересыщенного твёрдого раствора, в результате которого увеличивается прочность и твёрдость материала.

Отпуск стали — это разновидность термообработки, используемая для деталей, закалённых до критической точки, при которой происходит полиморфное изменение кристаллической решётки. Он заключается в выдерживании металла определённый промежуток времени в нагретом состоянии и медленном охлаждении на открытом воздухе. Делают отпуск, чтобы снизить внутреннее напряжение, а также исключить хрупкость металла и увеличить его пластичность.

При помощи старения достигается необходимая твёрдость закалённой стали. Старение может быть:

• естественным, при котором самопроизвольно повышается прочность закалённого металла и снижается его пластичность. Происходит данный процесс при выдержке в естественной среде;
• термическим. Такое старение — это процесс повышения твёрдости металла посредством выдержки при высоких температурах. По сравнению с первым видом, в данном случае может произойти перестаривание — это когда твёрдость, пределы прочности и текучести, достигая максимальной величины, начинают снижаться;
• деформационным. Такое старение достигается при помощи пластической деформации закалённого сплава, имеющего структуру пересыщенного твёрдого раствора.

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.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием – сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур:  верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350-200 °С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц ε-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования. Дополнительные материалы по этой технологии можете найти в статье “Технология закалки на бейнит”.

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия. Подробнее про этот нестандартный способ термообработки можете прочитать в статье “Обработка холодом стальных деталей”

Технология закалки разных марок стали – как и для чего выполняется

Согласно ГОСТ на термообработку стали, закаливание разных марок может быть:

• С одним охладителем. Образец, доведенный до определенной температуры, погружают в жидкость. Там металл находится, пока не остынет до требуемой отметки. Применяется метод для углеродистых и легированных, а также изделий с несложной конструкцией.
• Прерывистой. Используются две среды. Металл сначала проходит быстрое охлаждение. Для этого подойдет вода. Затем продукцию погружают в масло. Это необходимо для медленного достижения определенной температурной отметки. Применяют способ для высокоуглеродистой стали.

При разных способах закалки отличаться могут не только получаемые качественные характеристики стали, но и цвета каления

• Ступенчатой. Изделия охлаждаются в среде, чья термоотметка превышает мартенситный уровень обрабатываемой марки. Во время остывания и выдержки, деталь по всему периметру становится температуры закалочной емкости. После этого осуществляется медленное охлаждение с закалкой. Так аустенит преобразуется в мартенсит.
• Струйной. Поверхность интенсивно обрызгивают водным напором. Паровой кокон при этом не образуется, благодаря чему можно добиться глубокой прокалки. Применяют если необходимо обработать только часть поверхности.
• Изотермической. Метод схож со ступенчатым закаливанием, но отличается временем выдержки. Сталь пребывает в среде ровно столько времени, сколько необходимо для завершения изотермического преобразования аустенита.

Основные температурные и временные режимы термообработки сталей – таблица показателей разных марок