Закалка пламенем: Поверхностная термообработка для повышения прочности стали

Определение и Основная концепция

Газовая закалка — это избирательный процесс поверхностной термической обработки, при котором поверхность стального компонента быстро нагревается прямым пламям кислородно-нефтяного газа, с последующим немедленным охлаждением для образования твердого поверхностного слоя при сохранении мягкого и стойкого крутого сердечника. Эта локализованная термическая обработка создает износостойкий внешний слой с высокой твердостью, при этом сохраняя внутри компоненте пластичность и стойкость.

Процесс особенно важен при производстве крупных компонентов или деталей сложной формы, где обычное промышленное закаливание в печи было бы непрактичным или экономически нецелесообразным. Газовая закалка позволяет избирательно обрабатывать определённые зоны, подвергающиеся высоким износам, такие как зубья шестерен, поверхности подшипников и железнодорожные рельсы.

В более широкой области металлургии газовая закалка принадлежит к группе методов поверхностной твердости наряду с индукционной закалкой, лазерной закалкой и цементацией. В отличие от методов закалки поверхности, которые изменяют состав поверхности, газовая закалка — это термический процесс, преобразующий существующий в средне- и высоковуглеродистых сталях углерод в структуру мартенсита без изменения химического состава.

Физическая природа и теоретическая основа

Физический механизм

На микроструктурном уровне газовая закалка вызывает фазовое преобразование в кристаллической структуре стали. Когда поверхность стали быстро нагревается выше своей верхней критической температуры (обычно 727-912°C, в зависимости от содержания углерода), структура феррита с Кубической Объемной Центровкой (BCC) и карбид железа (Fe₃C) преобразуются в аустенит с Центрированной Объемной Центровкой (FCC).

Во время последующего быстрого охлаждения (закалки) аустенит не успевает преобразоваться обратно в феррит и цементит посредством диффузионных процессов. Вместо этого происходит бесдиффузионное преобразование, образующее твердое насыщенное карбидом железо с тетраэдрической структурой, — мартенсит, — обладающий высокой твердостью и хрупкостью из-за искажения кристаллической решетки.

Глубина закалки зависит от проникновения тепла, которое контролируется температурой пламени, временем нагрева и теплопроводностью стали. Ниже закаленного слоя материал сердцевины сохраняет исходную микроструктуру, обеспечивая прочность и пластичность компонента.

Теоретические модели

Основная теоретическая модель, описывающая газовую закалку, основана на законах теплообмена в сочетании с кинетикой фазовых преобразований. Уравнение Джонсона-Мехеля-Аврами-Колмогорова (JMAK) лежит в основе понимания кинетики преобразования в процессе нагрева и охлаждения.

Исторически представление о газовой закалке развивалось вместе с развитием металлургической науки в начале XX века. Первоначальные эмпирические подходы постепенно уступили место более сложным моделям по мере развития знаний о фазовых преобразованиях и диаграммах бескислородного охлаждения (CCT) в 1930-х и 1940-х годах.

Современные методы включают моделирование с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) для характеристик пламени и метода конечных элементов (FEA) для предсказания распределения тепла, тепловых градиентов и полученных микроструктур. Эти вычислительные методы позволяют более точно контролировать процесс по сравнению с традиционными подходами на основе опыта.

Основы материаловедения

Эффективность газовой закалки сильно зависит от кристаллической структуры и границ зерен стали. Процесс создает градиент микроструктур от поверхности к сердцевине, с мелкими зернами мартенсита на поверхности, переходящими в исходную структуру феррит-парфикса (перлит) внутри.

Размер зерен в закаленном слое значительно влияет на конечные свойства. Мелкие зерна аустенита, образующиеся при нагреве, преобразуются в более мелкий мартенсит при охлаждении, что повышает твердость и сопротивляемость износу. Границы зерен служат барьерами для движения дислокаций, что способствует укреплению поверхности.

Этот процесс иллюстрирует основные принципы материаловедения: фазовые преобразования, управление диффузией и соотношение структуры и свойств. Быстрые скорости нагрева и охлаждения создают условия, отличные от равновесных, и захватывают атомы углерода в межузловых позициях решетки железа, вызывая искажение решетки, характерное для мартенсита.

Математические выражения и методы расчетов

Основная формула определения глубины закалки

Глубина закалки ($D_h$) при газовой закалке может быть оценена приблизительно по формуле:

$$D_h = k \sqrt{t}$$

где:
- $D_h$ — глубина закалки (мм)
- $k$ — материал-зависимая константа, связанная с тепловой диффузией (мм/с^(1/2))
- $t$ — время нагрева (секунды)

Связанные формулы расчетов

Объем тепла ($Q$), подаваемый при газовой закалке, можно вычислить как:

$$Q = \eta \cdot V_g \cdot H_v$$

где:
- $Q$ — объем тепла (кВт)
- $\eta$ — коэффициент эффективности пламени (обычно 0.7-0.9)
- $V_g$ — расход газа (м³/ч)
- $H_v$ — теплота сгорания газа (кВт·ч/м³)

Темп охлаждения ($C_r$), необходимый для формирования мартенсита, должен превышать критический скоростной показатель охлаждения:

$$C_r = \frac{T_a - T_f}{t_c} > C_{critical}$$

где:
- $C_r$ — скорость охлаждения (°C/с)
- $T_a$ — температура аустенизации (°C)
- $T_f$ — конечная температура (°C)
- $t_c$ — время охлаждения (с)
- $C_{critical}$ — критическая скорость охлаждения для формирования мартенсита

Условия применения и ограничения

Эти формулы в основном применимы к сталям с содержанием углерода 0.35-0.60% и относительно простыми геометриями. Модель теплообмена предполагает однородные тепловые свойства во всем материале.

Квадратичная зависимость между глубиной закалки и временем справедлива только при ограниченности теплопроводностью. Для очень коротких времен нагрева или для тонких сечений эта зависимость нарушается из-за ограничений поверхностного нагрева.

Эти модели предполагают идеальные условия закалки и не учитывают вариации скорости охлаждения в сложных конфигурациях или образования промежуточных продуктов преобразования, таких как бэнайт.

Методы измерения и характеристика

Стандартные методы испытаний

• ASTM E18: Стандартные методы испытаний на твердость по Роквеллу металлических материалов
• ASTM E384: Стандарт методика микротвердости материалов
• ISO 6508: Металлы — испытание на твердость по Роквеллу
• ASTM E140: Таблицы перевода твердости для металлов

ASTM E18 и ISO 6508 предоставляют стандартизированные методы измерения поверхностной твердости по шкале Роквелла, широко используемые для компонентов, подвергшихся газовой закалке. ASTM E384 охватывает метод микротвердости, используемый для определения профилей твердости по глубине. ASTM E140 обеспечивает преобразование между различными шкалами твердости.

Оборудование и принципы испытаний

Оборудование для измерения твердости обычно включает приборы для измерения твердости по Роквеллу и микротвердости (Vickers или Knoop). Они измеряют сопротивление материала вдавливанию с помощью стандартизированных индентеров под контролируемой нагрузкой.

Микроскопы для металлографического анализа используют для исследования поперечных сечений после травления соответствующими реагентами (обычно нитричным). Это позволяет выявить переход от мартенситной структуры на поверхности к микроструктуре внутри.

Передовые методы включают сканирующую электронную микроскопию (SEM) с диффракцией Электронного Обратного Рассеяния (EBSD) для анализа кристаллографической ориентации и фаза-распределения по всей закаленной поверхности.

Требования к образцам

Стандартизованные образцы для измерения профиля твердости требуют поперечных срезов, перпендикулярных поверхности закалки. Образцы должны быть аккуратно отрезаны, чтобы избежать нагрева, который мог бы изменить микроструктуру.

Подготовка поверхности включает постепенное шлифование с помощью более мелких абразивов (обычно 120–1200 зерен), дальнейшую полировку алмазной пастой или гидрооксидом алюминия для достижения зеркальной поверхности. Химическое травление раствором 2-5% нитрива показывает микроструктуру.

Образцы должны быть свободны от декарбуризации, окисления или механических повреждений, которые могут повлиять на показатели твердости. Образец обычно закрепляют в термосовместимой смоле для удобства обработки и испытаний.

Параметры испытаний

Испытания на твердость обычно проводят при комнатной температуре (20-25°C) при контролируемой влажности. Для измерений по шкале Роквелла применяют стандартные нагрузки около 150 кгс (HRC) для закаленных газом поверхностей.

Измерения микротвердости для определения глубины профиля обычно используют нагрузки 100–500 г с шагом 0,1–0,5 мм от поверхности внутрь. Скорость испытания и время выдержки стандартны и соответствуют требованиям соответствующих стандартов.

Экологические условия должны быть свободны от вибраций для обеспечения точности измерений, особенно при микротвердости, поскольку вдавливания микроскопические.

Обработка данных

Данные о твердости собираются как серия измерений от поверхности к сердцевине. Эффективная глубина слоя определяется как глубина, где твердость падает до 50 HRC или 513 HV, или до 80% максимальной поверхности.

Статистический анализ включает расчет средних значений и стандартных отклонений для поверхностной твердости. Профили твердости обычно представлены графиками, показывающими зависимость твердости от расстояния от поверхности.

Глубина слоя определяется интерполяцией между точками измерения для определения точной глубины, соответствующей порогу твердости. Основные параметры — общая глубина слоя, эффективная глубина и градиент твердости.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали	Типичный диапазон значений (глубина слоя)	Условия испытаний	Референсный стандарт
Сталь среднего увėjрнения (1045)	1.5-5.0 мм	Однопроходное, водяное охладение	SAE J417
Легированная сталь (4140)	2.0-8.0 мм	Постепенное закаливание, полимерное охлаждение	ASTM A255
Инструментальная сталь (O1)	1.0-3.0 мм	Точечная закалка, масляное охлаждение	ASTM A681
Чугун (GG25)	3.0-10.0 мм	Обучение с вращением, водяной спрей	ISO 6506

Вариации внутри каждой классификации обусловлены в основном содержанием углерода, легирующими элементами и исходной микроструктурой. Более высокий углерод и легирующие элементы позволяют получить более глубокую закалку.

На практике эти значения служат ориентиром при проектировании компонентов, определяя связь между условиями нагрузки на поверхность и требуемой глубиной слоя. Твердый слой должен быть достаточно толстым, чтобы выдерживать нагрузки без деформации в глубине.

Общим трендом является то, что более легированные стали достигают большей глубины закалки при равных параметрах пламени из-за более низких критических скоростей охлаждения. Однако они также способны накапливать более высокие остаточные напряжения, что требует процедур их снятия.

Анализ инженерных решений

Особенности проектирования

Инженеры при проектировании газо- или плазменно-отверждаемых компонентов обычно стремятся к тому, чтобы глубина закалки превышала максимальную глубину среза по сдвигу при загрузке. В приложениях контактных нагрузок по Герцу эта глубина примерно равна 0.3 умноженному на ширину контакта.

Значения коэффициентов безопасности для глубины слоя обычно находятся в диапазоне 1.5–2.5, в зависимости от критичности применения. Для компонентов с высокими нагрузками или подверженных ударам применяют более высокий коэффициент безопасности.

Выбор материала основывается на балансе между стойкостью к закалке (содержание углерода и легирующих элементов), обрабатываемостью, склонностью к деформации и стоимостью. Сталь со средним содержанием углерода (0.40–0.55%) — оптимальный компромисс, обеспечивающий достаточную твердость без чрезмерных искажений.

Основные области применения

Крупные шестерни, ведущие шестерни, валы — важные области применения газовой закалки. Эти компоненты получают пользу от выборочного упрочнения зубчатых профилей и подшипниковых поверхностей при сохранении твердого ядра, способного поглощать ударные нагрузки.

Железнодорожная инфраструктура, особенно рельсы и стрелки, — еще одна важная область, где требуются повышенная износостойкость и сопротивляемость усталости контактных поверхностей, а также возможность ремонта в полевых условиях без демонтажа.

Шахтное оборудование, например зубья экскаваторов, зубья дробилок и конвейерные ролики, используют газовую закалку для борьбы с экстремальным износом. Процесс позволяет выполнять ремонтные работы на месте, что продлевает срок службы компонентов в удаленных условиях.

Торговые компромиссы в характеристиках

Твердость и пластичность у компонентов, подвергшихся газовой закалке, находятся в обратной зависимости: высокая твердость поверхности улучшает износостойкость, но увеличивает хрупкость и чувствительность к ударам, что требует аккуратного баланса в условиях эксплуатации.

Остаточные напряжения и стабильность размеров — еще один компромисс. Быстрый термический цикл создает сжимающие остаточные напряжения на поверхности (полезные для усталостной стойкости), но может вызывать искажения в тонкостенных или асимметричных деталях.

Инженеры уравновешивают эти требования, регулируя параметры пламени, выбор охлаждающих сред и последующую закалочную термическую обработку. Выпекание при температуре 150–200°C помогает снять остаточные напряжения и повысить твердость, сохраняя высокую прочность.

Анализ отказов

Подповерхностные усталостные разрушения — частая причина отказов при газовой закалке. В основном они связаны с недостаточной глубиной упрочнения, которая не предотвращает пластические деформации в области максимальных сдвиговых напряжений на контакте по Герцу.

Механизм разрушения включает образу­вание трещин внутри, начинаясь у границы закаленного слоя и сердцевины, далее распространяется параллельно поверхности, иногда вызывая отслаивание слоя. Микроскопический анализ показывает характерные паттерны трещин «бабочки», возникающие вокруг включений в месте возникновения разрушения.

Для снижения риска используют увеличение глубины слоя, улучшение чистоты стали для уменьшения количества включений и применение шлифовки или штампования поверхности для создания поверхностных сжимающих напряжений. Правильное отпускание помогает снизить хрупкость у места границы слоя.

Влияющие факторы и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода — основной фактор, определяющий максимальную твердость. 0.40% C обычно дает 55 HRC, а 0.60% C — до 62 HRC. Более высокое содержание углерода увеличивает риск растрескивания при закалке.

Марганец увеличивает закаливаемость, понижая критическую скорость охлаждения, что позволяет получать более глубокую закалку при одинаковых условиях. Хром и молибден дополнительно улучшают закаливаемость и стойкость к отпуску, что делает их ценными добавками для компонентов с газовой закалкой.

Оптимизация состава включает балансировку углерода для твердости, марганца и хрома для закаливаемости и кремния для декапрессии и укрепления. Фосфор и сульфур минимизируются для избежания хрупкости и образования включений.

Влияние микроструктуры

Размер зерен в исходной структуре существенно влияет на результат газовой закалки. Мелкие зерна дают более мелкий мартенсит при закалке, что повышает твердость и устойчивость. Структуры с нормализацией обычно реагируют лучше, чем отожженные.

Распределение фаз перед закалкой влияет на конечный результат. Однородный перлит с мелкими ламеллами легче преобразуется в равномерный аустенит при быстром нагреве, чем грубый перлит или сфероидизованные карбиды.

Некондиционные включения являются концентраторами напряжений и могут инициировать трещины во время закалки. Также они мешают передаче тепла, создавая мягкие зоны. Чистая сталь с низким содержанием включений дает более стабильные результаты закалки.

Влияние обработки

Температура пламени и скорость перемещения горелки определяют скорость подачи тепла и заметно влияют на глубину слоя. Более высокая температура и меньшая скорость увеличивают глубину слоя, но могут привести к перегреву и крошению зерен на поверхности.

Выбор охлаждающей среды оказывает сильное влияние на результаты закалки. Вода предоставляет самое быстрое охлаждение и максимальную глубину слоя, но увеличивает риск деформации и трещин. Полимерные растворы имеют промежуточные скорости охлаждения, а масла обеспечивают более мягкое охлаждение с меньшими искажениями.

Прогрев до 150–250°C перед газовой закалкой уменьшает тепловые градиенты и искажения, что особенно важно для сложных геометрий и деталей с переменным сечением.

Экологические факторы

Температура окружающей среды влияет на эффективность охлаждающей среды: при более низкой температуре она обеспечивает более быстрое охлаждение. Контроль температуры критически важен для стабильности процесса, особенно при водяном охлаждении, так как вариации способны значительно менять характеристики охлаждения.

Влажная среда может внедрять водород в сталь при нагреве пламенем, потенциально вызывая задержанные трещины. Правильное регулирование пламени для поддержания нейтрального или слабо восстанавливающего пламени снижает этот риск.

Длительное воздействие высоких температур может ослаблять закаленный слой, снижая твердость. Детали, работающие при высоких температурах, могут требовать дополнительное легирование или альтернативные методы поверхностной обработки.

Методы повышения

Модификация сплава за счет хрома, молибдена и ванадия повышает стойкость к закалке и отпуска. Эти элементы образуют стабильные карбиды, предотвращающие мягнение при нагреве, и улучшают износостойкость.

Совершенствование технологического процесса, такое как последовательное нагревание и охлаждение (прогрессивное закаливание), повышает однородность и уменьшает искажения в крупных деталях. Компьютерное управление процессом с обратной связью обеспечивает стабильные результаты при сложных конфигурациях.

Оптимизация конструкции включает добавление элементов, уменьшающих напряжения: радиусы в местах переходов сечения, однородная толщина сечения, симметричные области закалки для балансировки остаточных stresses и минимизации искажений.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Индукционная закалка — это связанный метод поверхностной обработки, использующий электромагнитную индукцию для нагрева поверхности компонента, а не прямое пламя. Обеспечивает более точный контроль и более чистую обработку, но требует специализированного оборудования и ограничен по форме деталей.

Закаливаемость — это способность стали образовывать мартенсит на определенной глубине при охлаждении с аустенитной температуры. Отличается от твердости — сопротивления вдавливанию — и характеризует потенциальную глубину закалки, а не твердость поверхности.

Термины, связанные с глубиной слоя, включают общую глубину слоя (до сердцевины), эффективную глубину слоя (до определенного значения твердости, обычно 50 HRC) и область перехода (между максимальной твердостью и сердцевинной структурой).

Взаимоотношения между этими терминами иерархичны: закаливаемость определяет потенциальную глубину слоя, что влияет на выбор между газовой, индукционной или цементационной обработкой.

Основные стандарты

SAE J417 «Поверхностно закалённые оси, валы и подобные детали» содержит спецификации для газозакаленных автомобильных и промышленных компонентов, включая минимальные показатели глубины слоя и твердости для различных применений.

ISO 15787 «Техническая документация на изделия из ferrous сплавов — Представление и обозначение термической обработки» устанавливает международные стандарты по документации параметров термической обработки, включая параметры газовой закалки и критерии приемки.

Региональные стандарты, такие как DIN 17022 в Европе и JIS G 0559 в Японии, содержат свои особенности по измерению твердости и определения глубины слоя. Европейские стандарты обычно предусматривают больше точек измерения.

Тенденции развития

Современные исследования сосредоточены на гибридных технологиях, сочетающих газовую закалку с индукционной или лазерной обработкой для повышения эффективности и контроля процесса. Они позволяют точнее регулировать температуру и минимизировать искажения.

Развивающиеся технологии включают системы мониторинга в реальном времени с использованием инфракрасной термографии и алгоритмов машинного обучения для динамической настройки параметров пламени. Такие системы компенсируют изменения в свойствах материалов и условиях окружающей среды.

Будущие разработки, вероятно, включат более сложные модели, объединяющие термические, механические и металлургические аспекты, чтобы предсказать не только профили твердости, но и распределение остаточных напряжений и долговечность компонентов. Этот холистический подход позволит создавать более оптимизированные конструкции с точно настроенными упрочненными зонами.