Закалка стали

(обновленно 08.12.2025)

Что такое закалка стали?

Закалка стали — вид термической обработки, при котором конструкционный материал (сталь) нагревают до температуры выше фазовых превращений. Далее изделия выдерживают при этой температуре определенное время согласно технологическому процессу, а затем быстро охлаждают в специальных средах.

Основной целью процесса является изменение кристаллической структуры стали для получения заданных механических свойств.

1. Металлургическая сущность закалки

При нагреве металла его кристаллическая решетка изменяется и происходит полиморфное превращение с образованием аустенита.

Растворяются карбиды
Перераспределяется углерод
Образуется однородная FCC-решётка γ-Fe.

Последующее быстрое охлаждение не позволяет аустениту вернуться к исходному состоянию и происходит дальнейшее преобразование в мартенсит. Мартенсит имеет чрезвычайно твердую игольчатую структуру, которая и обеспечивает механические свойства закаленной стали.

при высокой скорости → γ → мартенсит (Feα’ + углерод в пересыщённом состоянии)
при меньшей скорости → γ → бейнит / троостит / перлит

Структура после закалки определяется:

химическим составом (C, Cr, Mn, Ni, Mo),
температурой нагрева,
скоростью охлаждения,
толщиной детали.

Температура фазовых превращений для большинства сталей составляет около 730 °C, при достижении этой точки углерод начинает равномерно растворяться в железе. Если последующее охлаждение происходит медленно, то структура образовавшегося аустенита успевает распасться и металл возвращается к изначальному состоянию. При быстром охлаждении образуется игольчатый мартенсит, который является пересыщенным твердым раствором углерода в железе.

Не все стали можно подвергнуть операции закалки. Это зависит, в первую очередь, от концентрации углерода в материале. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% при закалочных температурах не образуют мартенсит, а соответственно не изменяют твердость. Оптимальными являются материалы с содержанием С от 0,4 до 1,3%.

2. Структурные изменения в материале при закалке

Исходная структура углеродистой стали представлена ферритом и перлитом. Феррит – это твердый раствор углерода и легирующих элементов в α-железе. Имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку. Весьма мягкий и пластичный. Перлит – это эвтектоидная смесь двух фаз (феррита и цементита Fe3C или других карбидов). Состоит из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита.

Ниже на рисунке представлено схематичное изображение микроструктуры феррита и перлита до закалки.

Рис. 1 — Перлит + феррит (до закалки)

Рис. 2 — Пластинчатый и зернистый перлит

При нагреве свыше критической температуры исходная кристаллическая структура стали преобразуется в аустенит – высокотемпературную модификацию железа с гранецентрированной кубической решеткой. В аустените углерод может активно растворяться, достигая 2% по массе.

Аустенит при длительном охлаждении имеет свойство к самостоятельному диффузному перерождению в исходную структуру. Однако при быстром охлаждении ниже температуры начала мартенситного преобразования, аустенит не успевает распасться и происходит бездиффузное превращение в мартенсит. В данном случае атомы углерода остаются в решетке железа, искажая ее и образуя тетрагональную решетку мартенсита. Структура мартенсита имеет игольчатую или реечную морфологию и его твердость достигает 65-67 по Роквеллу.

При этом в закаленной стали всегда будет присутствовать остаточный процент аустенита, который не успел превратиться в мартенсит. Его количество напрямую зависит количества углерода и легирующих компонентов. В инструментальных сталях (с высоким количеством углерода и легирующих компонентов) содержание остаточного аустенита может достигать 20-30%. В таком случае снижается твердость изделия, но повышается вязкость материала.

Рис. 3 -Мартенсит после закалки (резкое охлаждение, игольчатая структура)

3. Технология закалки

3.1 Температура нагрева

Температурный режим является основным регулируемым параметром, обеспечивающим качественный и количественный результат закалки. Она определяется химическим составом стали (количеством углерода и легирующих компонентов).

Виды стали	Температура закалки	Комментарии
Доэвтектоидные стали (менее 0,8% углерода)	Ac3 + 30-50°C (820-900°C)	Производится полная закалка для получения мартенсита
Эвтектоидные стали (0,8% углерода)	Ac1 + 30-50°C (750-780°C)	При минимальном нагреве можно достичь оптимальной твердости металла
Заэвтектоидные стали (более 0,8% углерода)	Ac1 + 30-50°C (750-790°C)	Происходит неполная закалка с остатком цементита
Легированные стали	800-1100°C	Определяется типом и количеством легирующих компонентов

3.2 Охлаждающие среды

Выбор охлаждающей среды осуществляется исходя из требуемых механических параметров конечного продукта и принципа нивелирования возможных дефектов металла. Для предотвращения распада твердого аустенита необходимо обеспечить достаточную скорость охлаждения, но не настолько высокую, чтобы не начался процесс растрескивания и деформации изделия.

Вода. Самая высокая скорость охлаждения среди всех сред. Оптимальная температура среды составляет 18-30 °C. Применяются преимущественно для углеродистых сталей с простой геометрией изделия. Минусы данной технологии заключаются в высоких внутренних напряжениях, возникающих при быстром охлаждении. Это может привести к короблению изделия и образованию трещин.
Минеральное масло. Предпочтительная среда для охлаждения легированных сталей и изделий сложной конфигурации. Температура охлаждающего масла поддерживается на уровне 50-80 °C. Характеризуется более низкой скоростью охлаждения. Технология обеспечивает более равномерное охлаждение и подходит для изделий дифференцированной толщины. За счет этого снижается риск деформации изделия и возникновения трещин. В виду возникновения паров масла, требуется мощная система вентиляции и пожарной безопасности.
Охлаждение на воздухе. Применяется исключительно для специальных марок быстрорежущих и высоколегированных сталей специального состава. Такие материалы обладают низкой критической температурой и скоростью закалки, что обеспечивает образование мартенситной структуры в таких условиях. Характеризуется низкими внутренними напряжениями и деформациями.
Специальные охлаждающие среды (расплавы солей). Температура расплава поддерживается на уровне 250-350 °C и используется для ступенчатой и изотермической закалки. Среда позволяет охладить изделие до температуры выше критической мартенситной точки и выдерживать для выравнивания температуры по сечению детали. Далее окончательное охлаждение производят на воздухе. Такая схема позволяет минимизировать внутренние напряжения и риск возникновения трещин.

4. Виды закалки стали

Существует несколько видов закалки, которые можно разделить по способу охлаждения, глубине упрочняющего слоя, технологическим решениям.

Вид закалки	Сущность метода	Недостатки
Полная	Применяется для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Нагрев на 30-50°С выше Ас3. После охлаждения получается мартенсит с небольшим количеством аустенита.
Неполная	Применяется для заэвтектоидных инструментальных сталей. Нагрев осуществляется выше Ас1, но ниже Ас3, что приводит к частичному преобразованию структуры. В конечном итоге в материале присутствует мартенсит и вторичный цементит, что обеспечивает твердость.
Закалка в одной среде	Самый распространенный способ, когда деталь помещается в одну среду до полного охлаждения. Метод просто в реализации и подходит для изделий простой формы.	Внутренние напряжения, требующие последующего отпуска. Не подходит для сложных форм.
Прерывистая закалка в двух средах	Изделия быстро охлаждают в соляном расплаве до температуры 250-300 °, что выше точки начала превращения в мартенсит. Далее следует выдержка до выравнивания температуры по всему сечению изделия, далее следует охлаждение на воздухе. Преимуществом является значительное снижение внутренних напряжений и деформации при сохранении высокой твердости.	Сложность в реализации, высокая стоимость реализации.
Изотермическая закалка	Близко, по сути, к ступенчатой, но в горячей охлаждающей среде выдержка осуществляется дольше, для полного изотермического превращения аустенита в бейнит. Бейнит характеризуется оптимальным сочетанием прочности, твердости и вязкости.	Метод узконаправленного действия, для рессорно-пружинистых сталей.
Поверхностная закалка	Применяется, если необходимо сочетание высокой твердости приповерхностного слоя и вязкой середины. Нагрев осуществляется токами высокой частоты, газовым пламенем или лазером на глубину 2-3 см.

5. Дефекты при закалке

Трещины. Возникают из-за высоких внутренних напряжений, которые превышают предел прочности материала. Так же причиной возникновения трещин может послужить слишком быстрое охлаждение, особенно для изделий сложной формы, неравномерный нагрев, наличие концентраторов напряжений. Дефект исправить невозможно, изделие бракуется.
Деформация изделия. Причина кроется в неравномерном охлаждении толстых и тонких участков изделия. Тонкие участки охлаждаются быстрее, и первыми изменяют объем. Дефект исправим частично.
Мягкие пятна. Причина в диффузионном обеднении углеродом поверхностных слоев изделия при нагреве в окислительной атмосфере. Обезуглероженный слой не подвергается закалке и имеет низкую твердость.
Окисление и появление окалины. При нагреве на воздухе образуется слой окалины. Ухудшается качество поверхности и требуется удаление окалины. Окалина удаляется в растворах кислот, при этом на месте окалины образуется «канавка», что так же является дефектом.
Перегрев. Приводит к росту зерна аустенита и образованию грубой мартенситной структуры, что приводит к снижению вязкости.
Пережог. Необратимый дефект, возникающий при нагреве, приближающемся к температуре плавления. Металл становится хрупким и не подлежит к использованию.

Хотите стать нашим клиентом?

Просто оставьте Вашу заявку, заполнив форму справа и мы свяжемся с Вами в ближайшее время. Спасибо!

Источник: https://zctc.ru/sections/zakalka-stali