Охлаждающие среды при закалке: вода, масло, воздух

Закалка превращает аустенит в мартенсит только тогда, когда деталь успевает проскочить опасный интервал перлитного и бейнитного превращений быстрее, чем за критическое время. За эту скорость отвечает охлаждающая среда. Тот же образец из стали 45, опущенный в воду, получит твёрдый мартенситный слой, а в масле останется недокалённым. Ниже разберём, чем отличаются охлаждающие среды при закалке, как они охлаждают деталь по стадиям и как выбрать среду так, чтобы получить твёрдость без трещин. Если нужно подобрать среду под конкретную марку и деталь, соберите запрос в форме ниже.

Зачем вообще нужна охлаждающая среда

При нагреве под закалку сталь переводят в однофазное аустенитное состояние (для доэвтектоидных сталей выше точки $Ac_3$). Дальше задача среды одна: отвести тепло так быстро, чтобы аустенит не успел распасться на мягкие равновесные структуры. Минимальная скорость, при которой весь аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки $v_{кр}$. Она своя у каждой марки и тем меньше, чем выше прокаливаемость стали (больше углерода и легирующих элементов).

Среда должна обеспечить охлаждение быстрее $v_{кр}$ в области наименьшей устойчивости аустенита, обычно это диапазон $550{-}650\,{}^\circ\text{C}$. При этом ниже точки начала мартенситного превращения ($M_н$, около $200{-}300\,{}^\circ\text{C}$ для углеродистых сталей) резкое охлаждение уже вредно: именно здесь возникают самые опасные напряжения. Идеальная среда охлаждала бы быстро вверху интервала и медленно внизу, но реальные жидкости так не умеют, поэтому среду выбирают компромиссом.

Три стадии охлаждения в жидкости

Когда раскалённую деталь погружают в жидкость, теплоотвод идёт не равномерно, а проходит три стадии. Понимание этих стадий объясняет, почему вода и масло ведут себя так по-разному.

Рассчитать для своей задачи

• Плёночное кипение (паровая рубашка). Сразу после погружения вокруг детали образуется сплошная плёнка пара. Пар плохо проводит тепло, поэтому охлаждение здесь самое медленное. У воды эта стадия короткая, у масла длиннее.
• Пузырьковое кипение. Паровая плёнка разрушается, к металлу прорывается жидкость, бурно кипит и уносит тепло. Это стадия максимальной скорости охлаждения, и приходится она как раз на район $550{-}650\,{}^\circ\text{C}$, что для закалки и нужно.
• Конвективный теплообмен. Когда поверхность остывает ниже температуры кипения среды, кипение прекращается и тепло отводится только конвекцией. Стадия медленная, и это хорошо: она приходится на мартенситный интервал, где спешить нельзя.

Хорошая закалочная среда даёт интенсивное пузырьковое кипение в верхней части интервала и мягкое конвективное охлаждение в нижней.

Вода и водные растворы

Вода - самая распространённая и дешёвая среда. В районе $600\,{}^\circ\text{C}$ она охлаждает очень быстро (около $600\,{}^\circ\text{C/с}$), что надёжно закаливает углеродистые стали с их высокой $v_{кр}$. Проблема воды в том, что она сохраняет высокую скорость и в мартенситном интервале: резкий теплоотвод при $200{-}300\,{}^\circ\text{C}$ создаёт большие термические и структурные напряжения, отсюда трещины и коробление.

Чтобы усилить охлаждение и убрать вялую паровую стадию, в воду добавляют соли и щёлочи. Раствор $5{-}10\,\%$ NaCl или NaOH разрушает паровую плёнку быстрее и охлаждает ещё интенсивнее и равномернее, чем чистая вода, поэтому водные растворы используют для деталей простой формы из углеродистой стали. Тёплая вода ($40{-}60\,{}^\circ\text{C}$), наоборот, охлаждает мягче, но её обычно избегают: затягивается опасная плёночная стадия.

Масло

Минеральное масло охлаждает примерно в $5{-}6$ раз медленнее воды (около $100{-}150\,{}^\circ\text{C/с}$ в районе $600\,{}^\circ\text{C}$). Главное достоинство масла в том, что скорость охлаждения в мартенситном интервале у него заметно ниже, чем у воды, поэтому напряжения меньше, а риск трещин и коробления снижается. Масло - основная среда для легированных сталей: у них $v_{кр}$ мала, и мягкого масляного охлаждения хватает для полной прокаливаемости.

Минусы масла: оно горюче, дымит, стареет и густеет при перегреве, а его охлаждающая способность зависит от температуры ванны (рабочий диапазон обычно $20{-}80\,{}^\circ\text{C}$). Углеродистые стали в масле, как правило, не закаливаются насквозь, кроме тонких сечений.

Сравнение сред и ступенчатые приёмы

Выбор среды - это всегда баланс между гарантией мартенсита и риском дефектов. Чем быстрее среда, тем выше твёрдость, но тем больше вероятность трещин.

Рассчитать для своей задачи

• Вода и водные растворы - для углеродистых сталей простой формы, где нужна максимальная скорость.
• Масло - для легированных сталей и деталей сложной формы, где важнее избежать трещин.
• Воздух (спокойный или под обдувом) - для высоколегированных и быстрорежущих сталей с очень высокой прокаливаемостью; обычная конструкционная сталь на воздухе превращается в перлит, это уже не закалка, а нормализация. Подробнее режимы охлаждения на воздухе разобраны в материале про нормализацию стали.
• Расплавы солей и щелочей ($150{-}400\,{}^\circ\text{C}$) - для изотермической и ступенчатой закалки. Деталь выдерживают в горячей среде, выравнивая температуру по сечению, а затем доохлаждают на воздухе. Это резко снижает напряжения.

Отдельно стоят комбинированные способы. Закалка в двух средах (через воду в масло): деталь сначала быстро проводят через воду, чтобы проскочить перлитный нос, а в мартенситном интервале доохлаждают в масле. Струйчатая закалка направленным потоком воды применяется для местного упрочнения, например поверхностей. Поверхностное упрочнение токами высокой частоты с спрейерным охлаждением описано в статье про поверхностную закалку ТВЧ.

Как среда влияет на дефекты

Главная плата за высокую скорость охлаждения - внутренние напряжения. Они складываются из двух частей: термических (поверхность сжимается раньше сердцевины) и структурных (мартенсит имеет больший удельный объём, чем аустенит, и его образование расширяет металл). Когда суммарные напряжения превышают прочность, появляются закалочные трещины.

Снизить риск помогают мягкая среда в мартенситном интервале, ступенчатая закалка и быстрый отпуск сразу после закалки. Чем сложнее форма детали и резче переходы сечений, тем мягче должна быть среда. О том, какие дефекты возникают уже на стадии отпуска, читайте в разборе отпускной хрупкости стали.

Полезно различать твёрдость и закаливаемость. Закаливаемость определяется содержанием углерода и говорит, какую максимальную твёрдость способен дать мартенсит. Прокаливаемость показывает, на какую глубину прошла закалка, и зависит уже от среды и марки. Одна и та же сталь в воде прокалится глубже, чем в масле, но и напряжений наберёт больше. Поэтому для крупных сечений из углеродистой стали приходится мириться с резкой средой или переходить на легированные марки, которые прокаливаются мягким маслом насквозь.

Охлаждающая способность среды

Численно интенсивность среды описывают коэффициентом охлаждающей способности $H$ (severity of quench). За единицу принимают спокойную воду при $18\,{}^\circ\text{C}$: для неё $H \approx 1{,}0$. Тогда масло даёт примерно $H \approx 0{,}2{-}0{,}4$, спокойный воздух $H \approx 0{,}02$, а интенсивно перемешиваемый солевой раствор может достигать $H \approx 2{-}5$. Чем выше $H$, тем глубже прокаливается деталь, но тем сильнее напряжения.

На фактическую скорость влияет не только сама среда, но и условия. Перемешивание (циркуляция ванны или движение детали) разрушает паровую плёнку и поднимает $H$ в разы. Температура ванны действует двояко: слишком холодная вода усиливает риск трещин, перегретое масло теряет охлаждающую способность. Поэтому в цехах температуру и циркуляцию закалочной ванны контролируют так же строго, как и температуру нагрева под закалку. На выбор среды влияет и предшествующая обработка: разные виды химико-термической обработки сталей меняют состав поверхностного слоя и требуют согласованного режима охлаждения.

Частые ошибки

• Закалка легированной стали в воде. У легированных сталей низкая $v_{кр}$, вода даёт лишние напряжения и трещины. Им достаточно масла или воздуха.
• Попытка закалить углеродистую сталь в масле. Скорости масла часто не хватает для $v_{кр}$ углеродистой стали, получается недокалённая мягкая структура.
• Игнорирование температуры ванны. Перегретое масло или слишком тёплая вода затягивают паровую стадию и снижают твёрдость; холодная вода усиливает риск трещин.
• Неподвижная деталь в ванне. Без перемешивания паровая рубашка держится дольше и охлаждение идёт неравномерно. Деталь нужно двигать.
• Откладывание отпуска. Закалённая деталь, оставленная без отпуска, накапливает напряжения и может треснуть сама по себе через часы.

FAQ

Почему деталь трескается именно в воде, а не в масле? Вода сохраняет высокую скорость охлаждения в мартенситном интервале $200{-}300\,{}^\circ\text{C}$, где образуется хрупкий мартенсит и растут напряжения. Масло в этом интервале охлаждает мягко, поэтому напряжений меньше и трещин почти нет.

Можно ли закалить сталь на воздухе? Только высоколегированные и быстрорежущие стали с очень высокой прокаливаемостью (самозакаливающиеся). Для них спокойного или обдувающего воздуха хватает, чтобы получить мартенсит. Обычная углеродистая или низколегированная сталь на воздухе охлаждается медленнее $v_{кр}$ и закалку не получит.

Зачем добавлять соль или щёлочь в воду? Добавки $5{-}10\,\%$ NaCl или NaOH разрушают паровую плёнку и убирают вялую плёночную стадию. Раствор охлаждает интенсивнее и равномернее чистой воды, что повышает и стабилизирует твёрдость закалённых углеродистых сталей.

Коротко

Охлаждающая среда при закалке задаёт скорость теплоотвода и определяет, получится ли мартенсит без трещин. Вода и водные растворы охлаждают быстро и подходят углеродистым сталям простой формы, масло мягче и нужно легированным сталям и сложным деталям, воздух годится только высоколегированным сталям, а расплавы солей и ступенчатая закалка дают минимум напряжений. Выбор всегда компромисс между гарантией твёрдости и риском дефектов: чем выше прокаливаемость стали и сложнее форма, тем мягче берут среду.