Закалка стали виды, способы охлаждения, оборудование, дефекты

Закалка стали виды, способы охлаждения, оборудование, дефекты

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

  1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
  2. Быстрое охлаждение.
  3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

  • объемная;
  • поверхностная.

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

  • увеличивается твердость и прочность;
  • уменьшается зерно;
  • снижается гибкость и пластичность;
  • повышается хрупкость;
  • увеличивается устойчивость к стиранию;
  • уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Читайте также:  Товар лицом тест-драйв Geely Atlas 2,4 AT 2WD - – автомобильный журнал

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

  1. Нормализация для улучшения структуры.
  2. Нагрев до температуры закалки.
  3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

  • марки стали;
  • требуемой твердости;
  • режима работы детали;
  • габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

  • одна часть под закаливаемым изделием;
  • две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

  1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
  2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
  3. Внутри сделать поддон — площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
  4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
  5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
  6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
  7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.
Читайте также:  Печка на Шевроле Нива ремонт радиатора и отопителя

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

  • исправимые;
  • неисправимые.

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Закалка металла — технология закалки стали

Процесс обработки металла путём его нагревания до высокой температуры с последующим охлаждением называется закалка. Это способствует изменению кристаллической решётки металла. Охлаждение проводят с использованием таких жидкостей как вода либо масло.

Закалка может быть 2 видов: с полиморфным превращением (сталь) или без него (цветной металл).

Многократный цикл «нагреть — охладить» у металла способствует снижению пластичности с вязкостью, но возрастает твёрдость. Использование полиморфного превращения в закалке способствует снижению хрупкости и усилению пластичности. Используется отпуск. При закалке цветного металлического сырья не применяют полиморфное превращение. Здесь используется метод «старения».

Виды закалки различны температурой нагрева:

При использовании полной закалки (кристаллическая решетка детали приобретает гранецентрированную структуру). Неполная закалка (применяется при изготовлении стали для инструментов).

Иногда изделия изготавливаются путём закаливания их режущей кромки. Так закаляют Катан (меч в Японии), причём можно увидеть грань (Хамон) между закалённой и не закалённой металлическими частями.

Согласно технологии, сталь при проведении закалки нужно быстро охладить (до 400ОС).
Время нагревания металла определяется мощностью нагревательного устройства.

Согласно сведениям, полученных в результате опытов, закалку сечений толщиной до одного миллиметра производят за:

• max. 2 мин. (электропечь);
• 1 мин. (в пламенной печи);
• 30 сек. (в соляной ванне);
• 6 сек. (в свинцовой ванне).

Погружая раскалённый металл в печь или ванну для закаливания происходит образование плёнки пара. Она способствует более медленному остыванию металла. Этот процесс называется плёночным кипением.

От жидкости, используемой при закаливании, зависит уровень температуры при достижении которого происходит разрыв паровой плёнки с закипанием жидкости прямо на металле. При этом быстрее происходит остывание. Этот процесс называют – пузырьковое кипение.

При прекращении кипения жидкости наступает время замедления процесса остывания. Это называется конвективным теплообменом.

Виды закалок, зависящие от применяемого охладителя:

• использование одного охладителя (погружение разогретого стального изделия в закалочную ванну до момента его полного остывания);
• применение 2 видов ванн для закалки – процесс прерывистой закалки – для стали с высоким содержанием углерода (со скорым остыванием в воде, со следующим погружением в масляную ванну);
• применение струйчатой закалки – с обливанием заготовок при помощи воды струёй (так закаливают часть изделия – индукторы для установок токов высокой частоты, при этом не происходит образования паровой плёнки, но обеспечивается высокая прокаливаем ость изделия, чем у обыкновенной закалки водой);
• ступенчатая закалка с высокой температурой, которая допускается выше, чем мартенситная точка (свой показатель у каждой из марок стали). В любой из точек сечения металл должен быть выдержан при заданной температуре, с последующим охлаждением – закалкой;
• применение изотермической закалки – цель которой состоит в изотермическом преобразовании кристаллической решётки и образовании аустенита.

Выбирая вид среды для охлаждения, обязательно следует принять к учёту легирующий состав, который присущ для сталей с углеродистым содержанием. Закалять углеродистую сталь (менее 20%) не допускается. Время охлаждения деталей определяет их: размер, форма, теплопроводность, а также выбранный вид для охлаждения.

Скорость охлаждения чревата нежелательными последствиями:

• может проявиться внутреннее напряжение;
• возможностью деформирования детали;
• внутреннее строение повреждается.

Причинами, ведущими к внутреннему напряжению, являются: различная температура сечения в период охлаждения изделия и фазовые превращения, не одновременно протекающие на разных зонах детали.

Читайте также:  Ниссан Примера P12 с пробегом слабые места и недостатки модели

Для выбора охлаждающей среды используются самые разнообразные виды жидкостей:

• воды;
• солевого или щелочного раствора;
• технические масла;
• свинцовый расплавленный раствор.

Очень стремительное охлаждение наступает если применяется вода, в связи с чем возникает опасность высокой вероятности, что появится угроза внутреннего напряжения. Применение минерального масла очень дорогостоящая процедура. Она имеет один существенный недостаток – это способность к быстрому воспламенению. Наилучшим охладителем считается обыкновенный солевой раствор, где используется пищевая соль хлорида натрия (NaCl). Концентрация такого раствора допускается от 8 до 12%. Хорошо зарекомендовал себя в качестве охладителя раствор, в котором содержится каустическая сода, имеющая химическую формулу NaOH (это щелочной раствор едкого натра или гидроксида натрия).

Как правильно закалить металл в домашних условиях

Термическая обработка металла проводится на протяжении многих веков. Она позволяет существенно повысить эксплуатационные свойства материала, изменить некоторые свойства. Закалка — разновидность термической обработки. Еще до появления огнестрельного оружия клинки усиливались закаливанием используемого металла при их изготовлении. Сегодня в домашних условиях можно закалить болт, топор, зубило, клинок, проволоку и многие другие изделия. Стоит рассмотреть подробнее, как можно закалить металл в домашних условиях, и какие при этом могут возникнуть сложности.

Суть закалки металлических изделий

Для того чтобы правильно закалять железо и другие металлы, следует рассмотреть суть этого процесса.

К особенностям этой разновидности термообработки можно отнести следующее:

  • Закаливать — это значит, нагревать материал до температуры, которая может изменить структуру. У металлов структура представлена кристаллической решеткой.
  • Процесс предусматривает также охлаждение материала, для чего может использоваться масло или вода.

Целью подобной термической обработки является увеличение твердости структуры стали или другого сплава.

С закалкой также связан процесс, получивший название отпуск. Он проводится для того, чтобы снизить хрупкость структуры после термической обработки. Отпуск проводится при более низкой температуре, а на охлаждение уходит намного больше времени. Важность этого процесса велика, иначе в структуре могут образовываться серьезные дефекты.

Какие металлы можно закалить

Следует учитывать, что не все металлы подходят для подобной термической обработки. Очень часто проводится улучшение физико-механических качеств конструкционных сталей, к примеру, стали 45, а также некоторых легированных сплавов (65Г, У7Х).

Алюминий и многие другие цветные сплавы подвергаются термической обработке, при которой кристаллическая решетка остается неизменной. Это можно достичь путем нагрева до невысоких температур с последующим быстрым охлаждение в различной среде.

Особенности технологии

Можно выделить 3 основных этапа термической обработки стали:

  1. Отжиг. Для начала проводится нагрев структуры до температуры, которая выбирается в зависимости от типа закаливаемого материала (для У7 +780°С). После нагрева металл оставляют в печи для медленного охлаждения.
  2. Закалка. После выполнения отжига наступает этап закалки. В зависимости от типа металла температура нагрева может варьировать в пределах +800…+1000°С и выше. В домашних условиях можно достигнуть лишь показателя +800°С или чуть выше. Нагрев проводится до момента, пока металл не станет полностью красным, при этом графит и вся кристаллическая решетка перестраивается. Охлаждение может проходить в воде, но лучше использовать масло, что позволит снизить вероятность появления серьезных дефектов в структуре. При этом следует учитывать, что при нагреве масла может образовываться дым и другие продукты горения, которые вредны для человека.
  3. Отпуск. За счет отпуска можно существенно снизить хрупкость структуры, при этом изделие выдерживается в духовке на протяжении 1 часа или более при температуре не выше +320°С. Важно учитывать, что на этом этапе не должно происходить перестроение кристаллической решетки, т. к. сильный нагрев может привести к снижению твердости поверхностного слоя.

Закалка ножа в домашних условиях осуществима, этого потребуется обычная печь, место для проведения работы, а также емкость с маслом или водой для охлаждения металла.

Много внимания уделяется выбору способа охлаждения стали. Различают следующие методы:

  • Применение одной среды.
  • Охлаждение при использовании двух жидкостей.
  • Струйный метод снижения температуры поверхности металла.
  • Метод ступенчатого охлаждения, применяемый для снижения напряжений в структуре материала.

При проведении закалки в домашних условиях следует учитывать, что слишком быстрое охлаждение становится причиной повышенной хрупкости структуры. Важно обеспечивать равномерное охлаждение, что позволяет получить равномерную структуру.

При работе с раскаленной сталью следует соблюдать осторожность. Нельзя проводить подобные работы вблизи легковоспламеняющихся материалов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector