Улучшение механических характеристик обеспечивает закалка стали, этот способ включает нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение. Все процедуры проводятся с заранее рассчитанной скоростью, что обеспечивает изменение и последующую формовку кристаллической структуры материала. Часто применяется вместе с дополнительным методом термообработки: отпуском.
Данная технология используется для обработки стали, а также некоторых металлов и сплавов. Обработка позволяет увеличить прочность и износостойкость недорогих материалов, что повышает себестоимость выпуска данной продукции.
От чего зависит качество закалки?
Данный метод обработки используют для повышения твердости материалов и их прочностных характеристик, а также для снижения пластичности до определенного уровня. Благодаря закалке можно использовать более легкие пустотелые изделия, что уменьшает вес деталей при сохранении или даже увеличении требуемой жесткости.
Для обеспечения лучшего качества закалка обязательно проводится вместе с отпуском до температуры ниже линии фазовых изменений. Охлаждение проводится постепенно для обеспечения прочности кристаллической решетки материала.
Качество обработки зависит от следующих критериев:
- температура закалки стали;
- скорость ее роста;
- время выдержки сырья;
- тип охлаждающей среды;
- скорость падения температуры.
Температура – ключевой параметр из всех перечисленных. От нее зависит перестройка и формовка новой кристаллической решетки материала. В зависимости от воздействия закалка может быть поверхностной (частичной) и полной (объемной). В последнем случае прокаливается вся деталь и свойства материала получаются одинаковыми по всей массе. Частичная закалка требуется, когда нужна повышенная твердость и износостойкость на поверхности и вязкая сердцевина.
Особенности закалки
Не все стали подвергаются закалке – при содержании углерода менее 0,4% сырье при нагреве практически не меняет своей кристаллической решетки. Данный метод для них не применяется, они обрабатываются другими способами.
Закаливают обычно инструментальные стали, температурная обработка улучшает характеристики таких материалов. Разберем два вида закалки.
С полиморфным превращением
Применяется конкретно для инструментальных сталей. В углеродистых материалах при повышении температуры до определенного уровня осуществляются структурные изменения кристаллической решетки. При таких процессах распадается карбид железа и образуется раствор углерода в железе, который называют аустенитом. При постепенном охлаждении он постепенно распадается, а кристаллическая решетка материала выстраивается заново. А вот при быстром охлаждении в зависимости от материала и изначальной температуры можно добиться высокой прочности с образованием в сплаве прочного элемента – мартенсита.
Температура подбирается в зависимости от марки стали. Например, доэвтектоидные стали с содержанием углерода до 0,8% нагреваются до температур выше точки Ас3 на 30-50°C. По данным технологиям проводятся закалка инструмента, который будет подвергаться высоким нагрузкам в виде трения. Этот способ популярен для изготовления шестерен, валов, втулок и обойм.
Закалка без полиморфного превращения
Данный способ применяется для цветных сплавов или отдельных металлов с ограниченной растворимостью вторичных фаз при обычной температуре. В таком сырье изменения кристаллической решетки осуществляются именно при повышении температуры до высокого уровня. Нагрев до предельных значений, при которых материал из твердого состояния переходит в жидкое сопровождается полным растворением вторичных фаз. Охлаждаются заготовки быстро, поэтому вторичные фазы не выделяются.
Стоить отметить, что процесс, описанный выше, протекает и в естественных условиях, только очень медленно. Его еще называют естественным старением. Данные процессы протекают и при нагреве, температуру нагрева и охлаждения подбирают по конкретный сплав.
В отличие от сталей, цветные металлы не всегда становятся прочнее после закалки. Например, медный сплав наоборот, становится более мягким и пластичным. Для снятия напряжения используется отпуск строго при определенной температуре и временному интервалу.
Режимы закалки стали
В таблице представлены варианты закалки сталей в зависимости от их состава и требований к заготовкам:
| Режим закаливания | Особенности |
| Постепенная закалка в охлаждающих средах | Ее еще называют ступенчатой, она применяется для сложнолегированных сталей. Детали сначала в течение нескольких минут охлаждаются в воде, затем помещаются в масло, в котором остывают до +320-300℃, после чего их оставляют на открытом воздухе. В данном случае значительно снижается твердость. |
| С охлаждением в одной среде | Самое быстрое охлаждение обеспечивает вода – этот вариант используют для низколегированных среднеуглеродистых сталей и некоторых антикоррозийных образцов. При концентрации углерода более 0,5% воду не применяют, поскольку изделия покрываются трещинами или полностью разрушаются. |
| Изотермическое | Изделия нагревают до температур +320-350°C, после чего опускают в ванну с селитрой и выдерживают до полного охлаждения. |
| Светлое | Применяется для высоколегированных сталей, которые нагреваются в вакууме или в среде инертных газов. Применяется при массовом выпуске типовых изделий. |
| Струйное | Охлаждение обеспечивает поток воды, который подается на отдельную часть заготовки под напором. Применяется при частичном закаливании изделий. |
| С самоотпуском | Или охлаждение естественным образом. После обработки тепло постепенно выходит и снимает напряжения внутренней структуры. |
Процесс закалки стали
Для правильной термической обработки предприятие должно быть укомплектовано соответствующим оборудованием:
- муфельные термические печи;
- установки для индукционного нагрева;
- устройства для нагрева в расплавах;
- газоплазменные печи;
- аппараты лазерного нагрева.
Три последние используются для частичного нагрева, первые – для полноценной обработки больших деталей. Они представляют собой емкости, в которых осуществляется нагрев с контролем температуры и охлаждение в соответствии с установленным режимами.
Для отпуска может использоваться вода, минеральное масло, газ, водополимерные смеси, расплавленные соли или металлы. Конкретный вариант выбирают в зависимости от химического состава сплава и требований к будущей заготовке.
Особенности нагрева и выдержки
Температуру нагрева подбирают в зависимости от химического состава материала: чем меньше содержится углерода в стали, тем выше должна быть температура плавления. Ее контроль осуществляется с использованием датчиков, которые устанавливаются в печи. Они называются пирометрами, бывают контактными и инфракрасными. Также учитывается и продолжительность температурной обработки.
Перегрев приводит к следующим последствиям:
- окисление;
- обезуглероживание;
- повышение внутреннего напряжения;
- изменение структуры.
При работе со сложными изделиями они дополнительно подготавливаются: их подогревают – опускают несколько раз в ванную с соляным раствором, после чего помещают в печи, прогретые до +400-500°C. Продолжительность обработки зависит от размеров изделия – важно, чтобы оно было прогрето равномерно.
Охлаждение
Способ охлаждения выбирают в зависимости от материала. Так, для легированных сталей используются минеральные масла, обдув воздухом или инертным газом. Также может использоваться вода в чистом виде или с растворенными в ней минералами. В ступенчатых и изотермических процессах применяются щелочные и соляные растворы, сплавы материалов. Допускается чередование этих составов.
Отпуск
В зависимости от условий обработки отпуск осуществляется в щелочных, масляных или селитровых средах, а также в песке. Для этого используются специальные ванны, а также печи с принудительной вентиляцией.
Различают два вида отпуска:
- Низкий – проводится при температуре +150-200°C, используется для снятия внутренних напряжений, обеспечивает пластичность и вязкость без снижения твердости. Этот вариант применяется для деталей, от которых требуется стойкость к износу и твердость, например: металлообрабатывающий или измерительный инструмент.
- Вторичное отвердение – отпуск проводится при температурах +550-580°C. Данная процедура обеспечивает дополнительную твердость заготовок. Эта обработка применяется для быстрорежущего инструмента.
Ошибки при закалке
Разберем типичные недочеты, которые допускаются при закалке:
- Неравномерное охлаждение или нагрев – при такой обработке характеристики изделия получатся неравномерными из-за неоднородного состава. Также возможно появление трещин и деформации материала.
- Смесь охлаждающих сред – например, попадание воды в масло или наоборот. В результате нарушения технического процесса также могут появиться трещины на изделии.
- Пережог – появляется при контакте закаливаемой поверхности с кислородом. Это приводит к появлению оксидов, которые ухудшают характеристики поверхностных слоев, поскольку происходит выгорание углерода.
Все перечисленные ситуации являются необратимыми, поэтому продукция бракуется и выбывает из производства. Чтобы избежать таких неприятностей, нужно строго руководствоваться технологическими стандартами как при выборе материалов, так и непосредственно при проведении закалки.