Зачем нужна и как проводится закалка стали

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

Суть процесса

Термическая обработка — это воздействие на металл температурой с целью получения материала с иными характеристиками. Термообработка применяется для получения следующих результатов:

• придать изделию необходимый уровень твердости в каком-либо отдельном узле или по всей поверхности металла;
• придать наилучшую микроструктуру сплаву или стали;
• корректировка химического состава в частицах микроструктуры различных сплавов.

При обработке высокими температурами легко добиться однородности материала. Это помогает в последующем при механической обработке узлов и механизмов. Также снижается риск получить на производстве бракованную деталь из данного материала.

Также при помощи термической обработки можно повысить возможность деформации заготовки, чтобы из приготовленного материала было проще сделать готовый узел или необходимую деталь.

Температурный режим

Закалка — это превращение аустенита в мартенсит. На производстве при выборе температур термообработки пользуются диаграммой «железо-углерод». Температуру закалки углеродистых сталей определить очень легко. Нагрев конструкционной стали с содержанием углерода менее 0,8% доводят до температур, расположенных над линией GS и выше точки Ас3 на 30-50 градусов. Нагрев сталей, содержащих более 0,8% углерода, проводят при температурах на 30-50 градусов выше тех, которые расположены выше линии PSK. Температуру закалки легированной стали также выбирают, исходя из критических точек, но данный процесс много сложнее, так как помимо углерода такие стали содержат и другие компоненты.

Нагартовка и оборудование для нее

Выполнение нагартовки изделий из стали особенно актуально в тех случаях, когда имеется необходимость повысить их устойчивость к поверхностному растрескиванию, а также предотвратить протекание в нем усталостных процессов. Отраслями промышленности, в которых нагартованные изделия зарекомендовали себя особенно хорошо, являются авиа- и автомобилестроение, нефтедобыча, нефтепереработка и строительство.

Устройство промышленной дробомётной установки для обработки труб

Такие методы упрочнения металлов, как контролируемый наклеп или нагартовка, могут быть реализованы при помощи различного оборудования, от качества и функциональности которого зависит результат выполняемых операций. Оборудование для нагартовки изделий из стали или других сплавов, которое сегодня представлено большим разнообразием моделей, может быть общего назначения или специального – для того, чтобы выполнять обработку деталей определенного типа (болтов, пружин и др.).

В промышленных масштабах нагартовка выполняется на автоматизированных устройствах, все режимы работы которых устанавливаются и контролируются за счет использования электронных систем. В частности, на таких станках автоматически регулируется как количество, так и скорость подачи дроби, используемой для выполнения обработки.

Дробометная установка для обработки листового и профильного металлопроката

Выполнение наклепа, при котором процесс его формирования контролируется, используется в тех случаях, когда изделие из стали нет возможности упрочнить при помощи термической обработки. Помимо нагартовки и наклепа повысить прочность поверхностного слоя металлического изделия могут и другие методы холодной пластической деформации. Сюда, в частности, относятся волочение, накатка, холодная прокатка, дробеструйная обработка и др.

Кроме стали, содержание углерода в которой не должно превышать 0,25%, такой способ упрочнения необходим изделиям из меди, а также некоторым алюминиевым сплавам. Нагартовке также часто подвергается лента нержавеющая. Ленту нагартованную применяют в тех случаях, когда обычная лента нержавеющая не способна справляться с воспринимаемыми нагрузками.

Нагартованная нержавеющая лента обладает более высокой прочностью с определенной потерей вязкости и пластичности

Наклеп, который сформировался на поверхности металлического изделия в процессе выполнения его обработки различными методами, можно снять, для чего используется специальная термическая обработка. При выполнении такой процедуры металлическое изделие нагревают, что приводит к тому, что атомы его внутренней структуры начинают двигаться активнее. В результате она переходит в более устойчивое состояние.

Выполняя такой процесс, как рекристаллизационный отжиг, следует учитывать степень нагрева металлической детали. Если степень нагрева незначительна, то в структуре металла снимаются микронапряжения второго рода, а его кристаллическая решетка частично искажается. Если интенсивность нагрева увеличить, то начнут формироваться новые зерна, оси которых сориентированы в одном пространственном положении. В результате интенсивного нагрева полностью исчезают деформированные зерна и формируются те, оси которых ориентированы в одном направлении.

Ручная правка наклепом изогнутого вала

Существует также такая технологическая операция, как правка наклепом, при помощи которой металлический вал или лист приводятся в исходное состояние. Чтобы выполнить такую операцию, нацеленную на устранение несоответствий геометрических параметров их требуемым значениям, нет необходимости использовать специальный станок – ее выполняют при помощи обычного молотка и ровной плиты, на которую укладывается обрабатываемое изделие. Нанося таким молотком удары по изделию, форму которого требуется исправить, добиваются формирования на его поверхности наклепанного слоя, что в итоге приведет к достижению требуемого результата.

На видео ниже показан процесс упрочнения методом наклепа колес для железнодорожной техники в дробеметной установке.

Что называется термической обработкой металла: основы, общие принципы

В процессе данной технологии кристаллическая решетка болванки преобразуется. Задача – изменить свойства, а не ее конфигурацию и габариты. По завершении заготовка приобретает требуемые по технологии параметры и уникальное строение. Рассмотрим, для чего нужна закалка металла и как она влияет на структуру стали после процедуры:

• • для улучшения технологических характеристик посредством разупрочнения, данный процесс применяют в качестве подготовительной операции или промежуточного этапа;
• • для получения требуемых технических характеристик посредством упрочнения либо приобретения специализированной структуры;
• • для фиксации размера и конфигурации, а также получения новых свойств заготовки.

Все процедуры допускаются только на материалах, в которых температурные превращения выполняются подобным образом. Воздействие температурой применяют с целью производства режущих элементов оснастки, станков, машин и производственного оборудования. Отвечая на вопрос, какие виды стали подвергаются закалке, отметим, что процедура подходит для металлов любых марок, требующих повышения износоустойчивости.

Процесс охлаждения стали

Для качественного закаливания необходимо быстро охладить материал. Процесс можно разделить на несколько стадий. Когда разогретую заготовку помещают в жидкость, обычно возникает тонкая прослойка пара, несколько замедляющая остывание. Процесс носит название пленочного кипения. При достижении определенной температуры, зависящей от используемого охладителя, прослойка пара разрывается и жидкий охладитель вскипает на поверхности заготовки — наступает стадия пузырькового кипения, во время которой скорость охлаждения существенно возрастает.
При дальнейшем снижении температуры кипение прекращается, а скорость остывания значительно уменьшается. Наступает фаза конвективного теплообмена.

В зависимости от используемых охлаждающих жидкостей различают следующие разновидности закаливания:
1. В одном охладителе. Стальную заготовку помещают в ванну с охлаждающей жидкостью, где и проводится вся процедура. Используется для углеродистых и легированных сплавов.
2. Прерывистое закаливание (в двух различных охладителях). Сначала происходит быстрое охлаждение (например, в водной ванне), а затем медленное (например, в масляной). Такую методику обычно применяют для высокоуглеродистых сплавов.
3. Струйчатое закаливание, осуществляемое под струей жидкости. При такой технологии фаза пленочного кипения отсутствует. Материал при этом прокаливается очень глубоко. Такая методика, как правило, применяется при закаливании части заготовки.
4. Ступенчатое закаливание. Заготовка помещается в разогретую выше мартенситной (для закаливаемого металла) температуры и выдерживается там, пока не достигнет температуры жидкости по всему объему. Затем материал медленно охлаждают.
5. Изотермическое закаливание. Изделие погружают в охлаждающую жидкость и держат там до образования в металле аустенитной структуры.

Быстрота остывания зависит от габаритов и конфигурации заготовки, теплопроводности металла и разновидности охладителя. Подбирать охлаждающую жидкость надо в зависимости от состава металла и доли углерода в нем. Сплавы, содержащие менее 20% углерода, не закаливают. Высокие механические напряжения в структуре металла, возникающие при резком охлаждении, могут деформировать и повредить заготовку из низкоуглеродистого сплава. Причины возникновения таких напряжений могут быть следующими: это либо высокий температурный градиент внутри изделия, либо несогласованные фазовые изменения в разных зонах.

В качестве охладителей применяют воду, щелочные и солевые растворы, минеральные масла, жидкий свинец и др. Охлаждение в воде происходит очень быстро, в результате чего часто возникают внутренние напряжения. Масла не всегда экономически оправданы и пожароопасны. Нередкой для закаливания металлов используют раствор обыкновенной поваренной соли или едкого натра.

Упрочнение деталей наклёпом

В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностное дорнование и др.

Способы закалки

• Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
• Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
• Закалка ТВЧ (индукционная) — закалка токами высокой частоты — деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.

Термообработка цветных сплавов

Цветные металлы отличаются по своим свойствам друг от друга, поэтому для них применяют свои виды термообработки. Для выравнивания химического состава меди её подвергают рекристаллизационному отжигу. Латунь обрабатывают при низкой температуре (200 °C). Бронзу подвергают отжигу при температуре 550 °C. Магний закаляют, отжигают и подвергают старению, алюминий подвергают похожей обработке.

В чёрной и цветной металлургии широко применяются разные виды термической обработки металлов. Их используют для получения нужных свойств у сплавов, а также экономии средств. Для каждой процедуры и металла подбираются свои значения температуры.