Температура закалки стали: таблица режимов по маркам

Температура закалки зависит от марки стали: углеродистую сталь 45 нагревают до 820–860 °C, инструментальную Х12МФ — до 960–980 °C, быстрорежущую Р6М5 — до 1220 °C. Ошибка в несколько десятков градусов даёт либо мягкую деталь, либо хрупкую. Выше — таблица температур закалки и отпуска около 60 марок по ГОСТ с фильтром, ниже — правило выбора температуры нагрева, температура масла и воды, отпуск после закалки и дефекты от неверного режима.

Что такое закалка стали и от чего зависит температура

Закалка — вид термической обработки металла, при котором сталь нагревают выше критической температуры, выдерживают и быстро охлаждают. При нагреве структура стали превращается в аустенит, в котором растворяется весь углерод. При быстром охлаждении углерод не успевает выйти из решётки железа, и образуется мартенсит — самая твёрдая структура стали. Твёрдость закалённой стали определяет прежде всего содержание углерода, а глубину закалки и выбор среды — легирующие элементы.

1. Нагрев до температуры закалки — для каждой марки своей, по стандарту на сталь. Температуру держат с точностью ±10–15 °C.
2. Выдержка, пока деталь прогреется по всему сечению и структура выровняется. Для образцов ГОСТ 1050-2013 задаёт 20–30 минут, для детали время считают по сечению и загрузке печи.
3. Охлаждение в воде, масле, растворе полимера, на воздухе или в потоке газа — со скоростью выше критической для этой стали, иначе мартенсит не образуется.
4. Отпуск сразу после закалки: нагрев до 150–650 °C снимает напряжения и задаёт итоговую твёрдость.

Температура закалки зависит от химического состава стали — содержания углерода и легирующих элементов — и от того, какой результат нужен. Углеродистые стали закаливают с 760–880 °C, легированные конструкционные — с 820–940 °C, высокохромистые инструментальные и нержавеющие — с 950–1100 °C, быстрорежущие — с 1220–1270 °C: карбиды хрома, вольфрама и ванадия растворяются в аустените только при сильном нагреве.

Как читать таблицу температур закалки и отпуска

В таблице — режимы из стандартов на металлопродукцию: по ним завод-изготовитель проверяет сталь на образцах, и то, что стандарт обещает после режима, — в столбце «Результат». Для детали термист уточняет режим под сечение и печь, но начинает с этих чисел. Марку ищут в поле поиска над таблицей в начале страницы или выбирают группу сталей.

Две температуры через «+» — двойная закалка или нормализация перед закалкой, так режим записан в ГОСТ 4543-2016 для цементуемых сталей. Прочерк в столбце отпуска означает, что стандарт проверяет твёрдость сразу после закалки. Допуск по температуре закалки — ±15 °C у конструкционных и пружинных сталей и ±10 °C у быстрорежущих; σв — предел прочности при растяжении.

Как выбрать температуру нагрева под закалку

Температуру закалки выбирают по диаграмме состояния железо — углерод относительно критических точек стали: Ac₁ — начало превращения в аустенит при нагреве, Ac₃ — его конец у доэвтектоидной стали. Правило из металловедения:

• Доэвтектоидные стали (углерода меньше 0,8 %: конструкционные 20–60, 40Х, 65Г) — полная закалка: на 30–50 °C выше Ac₃. Если остановиться между Ac₁ и Ac₃, в структуре останется мягкий феррит и на детали будут мягкие пятна.
• Заэвтектоидные стали (больше 0,8 %: У10, У12, ШХ15) — неполная закалка: на 30–50 °C выше Ac₁. Твёрдые частицы цементита остаются и повышают износостойкость, а лишний нагрев только укрупняет зерно.
• Легированные стали закаливают выше: легирующие элементы сдвигают критические точки и растворяются медленнее. Точную температуру для марки берут из стандарта — как в таблице выше.

Перегревать сталь выше интервала нельзя: зерно аустенита растёт, мартенсит получается крупноигольчатым, и деталь становится хрупкой. Недогрев опаснее тем, что его не видно: твёрдость окажется ниже чертежа, а исправить деталь можно только повторной закалкой.

Среда охлаждения: температура воды и масла при закалке

Скорость охлаждения должна быть выше критической для стали — иначе вместо мартенсита получатся троостит или сорбит и твёрдость не наберётся. Но чем резче охлаждение, тем больше напряжения, коробление и риск трещин. Поэтому охлаждающую среду выбирают самую мягкую из тех, в которых данная сталь ещё закаливается, с учётом формы изделия и оборудования.

Температура масла при закалке важна так же, как температура печи. Холодное масло густеет и охлаждает неравномерно, поэтому ванну подогревают: ГОСТ 1050-2013 для контроля закаливаемости стали 45 и 50 задаёт масло 65 ± 10 °C. Верхнюю границу ставит температура вспышки — масляные закалочные баки оборудуют системой охлаждения масла и пожаротушения. С водой наоборот: чем она теплее, тем дольше вокруг детали держится паровая рубашка и тем ниже твёрдость. Деталь в ванне перемещают, чтобы пар не оставил мягких пятен.

Способы закалки стали: в одной среде, ступенчатая, изотермическая, поверхностная

Одну и ту же сталь можно закалить разными способами. Температура нагрева остаётся той же, что в таблице, а меняется технология охлаждения: где и как долго изделие остывает. От способа зависят внутренние напряжения, коробление и то, закалится ли деталь целиком или только поверхностный слой.

• Закалка в одной среде. Изделие охлаждают в воде, масле или потоке газа до конца. Самый простой процесс, подходит для деталей простой формы.
• Прерывистая закалка в двух средах. Сначала вода — быстрое охлаждение проходит зону распада аустенита, затем масло или воздух — мартенсит образуется медленнее и с меньшими напряжениями. Применяют для углеродистых инструментальных сталей.
• Ступенчатая закалка. Деталь выдерживают в горячей соляной ванне чуть выше температуры начала мартенситного превращения, пока температура не выровняется по сечению, и охлаждают на воздухе. Коробление меньше, способ подходит для инструмента небольшого сечения.
• Изотермическая закалка. Выдержка в горячей селитре до превращения аустенита в бейнит: прочность вместе с вязкостью. По ГОСТ 4543-2016 так закаливают сталь 35ХГСА — с 880 °C в селитре 280–310 °C, σв не менее 1620 МПа.
• Поверхностная закалка. Нагревают только поверхностный слой — токами высокой частоты или лазером, сердцевина остаётся вязкой. Так упрочняют шейки валов, зубья шестерён, кромки штампов.
• Закалка в вакууме. Нагрев без доступа воздуха и охлаждение газом под давлением: поверхность остаётся светлой, без окалины, коробление меньше.

Температура отпуска стали после закалки

Отпуск делают сразу после закалки, пока напряжения не успели дать трещину. Температура отпуска определяет, чем станет деталь: чем она выше, тем ниже твёрдость и выше вязкость. В таблице режимов отпуск для каждой марки указан отдельным столбцом, а общая схема такая:

Закалку с высоким отпуском называют улучшением: так обрабатывают валы, оси и шестерни из сталей 45 и 40Х перед окончательной механической обработкой или перед закалкой ТВЧ. Зависимость твёрдости от температуры отпуска для инструментальных сталей ГОСТ 5950-2000 даёт графиками в приложении В, для быстрорежущих — ГОСТ 19265-73 в приложении 4.

Режимы закалки популярных марок стали

Чаще всего ищут режимы нескольких марок. По каждой — коротко, что говорит стандарт; кнопка покажет марку в таблице.

Можно ли закалить сталь 3 и сталь 20

Дефекты закалки от неверной температуры

Большинство брака при закалке связано с температурой нагрева, временем выдержки и средой. Признаки и причины:

• Низкая твёрдость и мягкие пятна. Недогрев ниже Ac₃, короткая выдержка, слишком мягкая среда или паровая рубашка в тёплой воде. Исправляют повторной закалкой.
• Хрупкость и крупное зерно. Перегрев выше интервала закалки или долгая выдержка. Деталь отжигают или нормализуют и закаливают заново с правильной температуры.
• Пережог. Нагрев близко к плавлению: окисляются границы зёрен. Это неисправимый брак.
• Трещины и коробление. Слишком резкая среда для марки, острые углы и переходы сечений, задержка с отпуском. Легированную сталь охлаждают в масле, а не в воде.
• Окалина и обезуглероживание. Нагрев на воздухе: поверхность окисляется и теряет углерод, твёрдость снаружи ниже. Лечится нагревом в вакууме или защитной атмосфере.

Закалка деталей в технопарке ЗЭМ

Термический участок технопарка выполняет закалку и отпуск стальных деталей по марке стали и твёрдости из чертежа. Вакуумная печь греет до 1300 °C — по температуре этого хватает на весь диапазон таблицы, от конструкционной стали до быстрорежущей. Садка — до 200 кг, рабочее пространство 600 × 400 × 400 мм, охлаждение газом под давлением, поверхность без окалины. Линия модульного типа нагревает до 1080 °C в защитной атмосфере и переносит садку в закалочную ванну без потери температуры, садка — до 150 кг, печь отпуска — до 650 °C, то есть от низкого отпуска до высокого.

• Режим по стандарту и чертежу. Термист берёт режим из стандарта на марку стали и корректирует его под сечение детали и загрузку печи.
• Вакуум или защитная атмосфера. Нет окалины — меньше припуск под шлифование, после закалки не нужна дробеочистка.
• Цементация и ТВЧ рядом. Цементация на той же линии и закалка ТВЧ — для твёрдой поверхности на вязкой сердцевине.
• Шлифование на той же площадке. Закалённые детали доводят в механообрабатывающем цехе технопарка, без перевозки к другому подрядчику.

В заявке укажите марку стали, твёрдость из чертежа (например, «40…45 HRC» или «улучшить: 240…280 HB»), размеры и количество деталей — по этим данным термист подберёт режим и печь.