Процессы термообработки имеют решающее значение для получения желаемых свойств из различных металлов и делают их пригодными для различных применений. Посредством термообработки многие механические свойства могут быть изменены без изменения химического состава металла.
В термообработке существует множество различных процессов. Одним из наиболее часто используемых среди них является процесс закалки.
Что такое закаливание?
Закаливание - это быстрый процесс охлаждения, который изменяет специфические свойства материалов, манипулируя скоростью охлаждения. Материал нагревают выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры плавления, чтобы обеспечить реструктуризацию зерна с последующим контролируемым охлаждением до заданной температуры.
Температуры, до которых нагреваются углеродистые стали при закалке закалкой, можно определить по фазовой диаграмме железо-углерод. Для гипоэвтектических сталей (0,2... 0,8% C) она составляет 30-50 ° C в течение Ac3 и для гиперэвтектических сталей (C> 0,8%) в течение 30-50 ° C в течение Ac1.
В целом процесс закалки приводит к повышению твердости и снижению пластичности материала. Но хрупкость также увеличивается и, таким образом, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов, таких как растрескивание и деформация, выбор подходящей скорости охлаждения является существенным, поэтому лучше использовать ТВЧ установки или закалочные станки https://ts-stanki.ru/product/induktsionnoe-oborudovanie/. Закалочные станки позволяют в процессе закалки соблюсти много параметров, что позволит достичь заданной твердости и свести к минимуму снижение пластичности закаливаемого материала.
Рис. 1 Пример закалочного станка Orson 600 -
профессиональное оборудование для закалки и отпуска металлических изделий
Процессы закалки и отпуска часто используются последовательно для восстановления части утраченной пластичности и снижения твердости до подходящих уровней. Отпуск также снижает хрупкость.
Также иногда выполняют отжиг для снижения твердости закаленной стали.
Когда используется закалка?
Закалка применяется, когда требуется повышенная твердость. Многие применения, такие как строительство, добыча полезных ископаемых, тяжелая техника, военная техника и т.д., требуют металлов с твердой поверхностью. Тот, который может противостоять истиранию, царапинам и принимать удары. Повышенная твердость от закалки способна обеспечить эти качества.
Закалка может быть выполнена для широкого спектра материалов, но сталь является наиболее часто закаленным металлом. Закаленная сталь обладает экстремальной твердостью.
Процесс закалки
Закалка стали
Процесс закалки может происходить одним из двух способов: закалка распылением или закалка ванны.
В процессе охлаждения распылением горячая поверхность металла охлаждается за счет ударного воздействия гасящего агента, распыляемого на металл. Этот способ имеет более высокую скорость теплопередачи, чем закалка ванны.
Однако процесс закалки ванны является более распространенным. При закалке ванны охлаждаемый материал помещают в ванну с жидкостью или газом. Когда гаситель окружает материал, он быстро охлаждается.
Но даже это быстрое охлаждение происходит с разной скоростью с момента начала закалки до ее окончания. Рассмотрим эти различные этапы.
Стадии закалки
В процессе закалки ванны материал подвергается трем различным стадиям охлаждения. Этими этапами являются:
- Паровая ступень
- Стадия кипения
- Конвекционная ступень
Паровая ступень
Как только материал помещается в закалочную среду, начинается парообразная стадия. Поскольку температура горячего материала выше температуры кипения закалочной среды, среда превращается в пар и, таким образом, вокруг материала образуется устойчивое парообразное покрытие.
Правильное перемешивание гасителя ускоряет процесс охлаждения, заставляя его поступать на стадию кипения.
Стадия кипения
На стадии кипения паровое одеяло перестает образовываться. Охлаждающая среда вступает в контакт с поверхностью металла, но так как металл все еще выше температуры кипения гасителя, он испаряется и поднимается.
Окружающая жидкость занимает свое место, и процесс продолжает повторяться. Среди трех ступеней закалки эта ступень имеет самую высокую скорость теплопередачи. Как только температура металла падает ниже температуры кипения гасителя, процесс закалки переходит на третью стадию.
Конвекционная ступень
Третий этап - этап конвекции. Охлаждающая среда больше не испаряется на поверхности металла. Однако он поглощает тепло от металла и поднимается. Окружающая жидкость занимает свое место и устанавливается конвекционный процесс на месте.
Эта стадия имеет самые низкие скорости теплопередачи. Это и стадия, на которой происходит искажение материала.
Закалочные средства
Под закалочной средой понимается материал, который поглощает тепло от металлов в процессе закалки. Есть много закаливающих сред, из которых мы можем выбрать. Каждая среда предлагает свои уникальные преимущества и ограничения.
Тип выбранной закалочной среды зависит от таких факторов, как желаемая скорость охлаждения, свойства материала, стоимость, возможность повторного использования и воздействие на окружающую среду.
Мы можем выбрать из следующих закалочных сред:
- Воздух
- Нефть
- Пресная вода
- Рассол (соленая вода)
- Полимеры
Воздух
Воздух не слишком популярен, когда речь идет о закалке, но в некоторых случаях он все еще используется. Для охлаждения металлической части требуется наибольшее время среди всех сред. С помощью этого метода принудительный воздух перетекает по поверхности металла и поглощает его тепло.
Принудительный воздух охлаждается быстрее, чем неподвижный воздух, и может подаваться либо через источник сжатого воздуха, либо через различные механические средства, такие как вентилятор. Скорость охлаждения зависит от давления воздуха и открытой площади детали.
Материалы с воздушным охлаждением обеспечивают более высокую степень контроля скорости охлаждения и конечной твердости. Они также обладают лучшими механическими свойствами. Однако уровни твердости ниже по сравнению с другими закалочными средами из-за более низких скоростей охлаждения.
Если для медленного охлаждения используется еще воздух, процесс известен как нормализующий вместо закалки.
Для закалки также используются инертные газы. Например, закалка азотом является экономически эффективным способом, поскольку она может быть получена на месте.
Нефть
Закалка масла обеспечивает лучшую скорость закалки, чем воздуха, но меньше, чем воды и рассола. Нефть огнеопасна, но она может помочь предотвратить такие дефекты, как деформация и растрескивание.
Закалочные масла очень универсальны и регулируются в зависимости от области применения. В настоящее время наиболее распространенным закалочным маслом является минеральное масло.
Пресная вода
При этом способе нагретый металл погружают в водяную баню. Охлаждение происходит быстрее воздуха, а также масла. Вода негорючая, что дает ей преимущество перед нефтью. Это также дешевая и свободная от загрязнения альтернатива.
Однако вода будет искажать или растрескивать металл, если процесс плохо контролируется.
Рассол (соленая вода)
Рассол или соленая вода - одна из самых эффективных закалочных сред. Он дает более высокую скорость закалки, чем масло, вода и воздух. Это связано с тем, что предотвращает образование воздушных глобул и парообразного полотна.
Соли могут быть либо на основе нитратов, либо на основе хлора. Однако быстрое охлаждение металла в рассоле или соленой воде делает его более подверженным короблению.
Полимеры
Полимерная закалка часто используется, когда материал плохо реагирует на закалку масла. Он обеспечивает более низкие скорости охлаждения, чем свежая или соленая вода, но выше воздуха. Полимерная закалка может предусматривать прерывистую закалку. Это означает, что металл может быть удален в середине закалки, чтобы уменьшить шансы на искажение без риска возгорания.
Преимущества закалки
- Процесс закалки-закалки обеспечивает следующие преимущества:
- Максимальная твердость среди всех процессов термообработки
- Сохранение более полезной кристаллической структуры
- Повышенная жёсткость
- Более выровненная структура зерен
- Повышение стойкости к износу, вибрациям и истиранию.