какие виды закалки вам известны
Виды закалки металла
По способу охлаждения различают следующие виды закалки.
Закалка в одной среде
Такая закалка проще по выполнению, но не для любой стали и не для любых изделий ее можно применять.
Быстрое охлаждение в большом интервале температур изделий переменного сечения способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, называемых термическими.
Помимо термических напряжений, при превращении аустенита в мартенсит создаются дополнительно так называемые структурные напряжения, связанные с тем, что превращение аустенита в мартенсит происходит с увеличением объема.
Если деталь сложной формы или переменного сечения, то увеличение объема проходит неравномерно и вызывает возникновение внутренних напряжений.
Наличие больших напряжений может вызвать коробление изделия, поводку, а иногда и растрескивание, если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности.
Чем больше углерода, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.
Сталь с содержанием углерода более 0,8% закаливают в одной среде, если изделия простой формы (шарики, ролики и т.д.). В противном случае предпочитают закалку либо в двух средах, либо по способу ступенчатой закалки.
Закалка в двух средах
Этот способ нашел широкое применение для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали.
Состоит он в следующем:
деталь вначале замачивают в воде и охлаждают до температур 500—550°,
затем быстро переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.
Ступенчатая закалка
При этом способе деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой 300—250°. Выдержка при этой температуре в течение 1,5—2 мин. должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению изделия, устраняя тем самым термические внутренние напряжения. Последующее охлаждение производят на воздухе.
В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы.
Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность растрескивания деталей.
Недостатки ступенчатой закалки
Недостаток этого вида закалки в том, что охлаждение в горячих средах не может обеспечить большую скорость охлаждения в интервале 400—600°.
В связи с этим ступенчатую закалку для углеродистой стали можно применять для изделий небольшого сечения (диаметр до 10 мм, например, сверла).
Для легированных сталей, имеющих небольшие значения критической скорости закалки, ступенчатая закалка применима к изделиям большего сечения.
Закалка с подстуживанием
При таком способе деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе. Время выдержки на воздухе должно быть таким, чтобы не произошел
распад на структуру перлита или сорбита. Это время определяется практикой закалки.
Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление и применяется для тонких и длинных деталей.
Поверхностная закалка стали
От некоторых деталей в эксплуатации требуется высокая поверхностная твердость при сохранении достаточно вязкой сердцевины, например зуб шестерни, шейка коленчатого вала и др.
В этом случае сталь сознательно закаливают на небольшую глубину. Существует несколько методов поверхностной закалки стали.
Поверхностная закалка при нагреве ацетилено-кислородным пламенем
Нагрев изделия производится ацетилено-кислородным пламенем. Пламенная горелка (рис. 67), движущаяся вдоль изделия с определенной скоростью, нагревает его поверхность.
Вслед за горелкой с той же скоростью движется трубка, подающая воду, с помощью которой производится охлаждение изделия.
Глубина прогрева и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.
Поверхностная закалка токами высокой частоты
Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.
Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.
Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.
Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.
Применяемый для этой цели электрический ток получают от специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. гц (т.е. перемен направления тока в секунду). Ток городской сети имеет частоту 50 гц.
Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты и большой силы.
Индуктор наводит (индуктирует) токи в изделии, помещенном внутри него (рис. 68).
Индуктор изготовляют из полых медных трубок, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, поэтому он сам не разогревается за тот короткий промежуток времени, за который деталь успевает нагреться до необходимой температуры.
Форма индуктора должна точно повторить форму изделия, только тогда изделие закалится да одну и ту же глубину по всему сечению. Затруднения бывают при сложной форме детали, что ограничивает применение этого метода.
Охлаждение нагретой детали осуществляется чаще всего либо дополнительным дождевым устройством, либо водой, циркулирующей внутри индуктора.
В связи с тем что новый тип детали требует изготовления нового индуктора, этот метод целесообразно применять при наличии однотипных деталей в массовом или крупносерийном производстве.
Какие виды закалки вам известны
Металл закаляют посредством сильного нагрева и резкого охлаждения. При этом температура нагрева металлического изделия должна быть критической и быть на уровне температуры, необходимой для изменения структуры кристаллической решетки. Охлаждают раскаленный металл, опустив его в воду, специальный раствор или масло.
Типы термической обработки
Термическая обработка, а именно так еще называют этот процесс, бывает нескольких типов: обработка с полиморфным обращением и без него. Первый тип термообработки используется преимущественно для некоторых сплавов и цветных металлов, а второй –для стальных изделий.
В процессе термообработки металлическое изделие приобретает улучшенные показатели твердости, а его начальная пластичность существенно снижается. Также снижается и вязкость материала. Уменьшение будет еще большим, если воспроизводить цикл неоднократно. Уменьшить показатели хрупкости, и немного улучшить вязкость позволяет процесс так называемого «отпуска». Он влияет на уменьшение приобретенной прочности, но показатели уменьшения будут незначительны. При отпуске металлов без полиморфного обращения (сплавы и цветные металлы) применяют процесс, который называется «старение».
Виды закалки
Закалка бывает как полной, так и неполной. При полной закалке происходят значительные изменения структуры материала и кристаллической решетки. Неполная закалка зачастую применяется к различным видам изделий из инструментальной стали.
Также бывают изделия, которые потребуют лишь частичной закалки. То есть, когда необходимо закалить не весь металл, а незначительную часть, например, режущую кромку (так закаливают мечи, различные резцы для станков, сверла и многое другое). На таком металле отчетливо наблюдается граница.
Технология закалки
Технология термозакалки предполагает собой резкое охлаждение, способное снизить температуру изделия до 600 – 410°С. Время, необходимое для достаточного разогрева металлического изделия, напрямую зависит от применяемого нагревательного устройства. При разогреве материала в мощной электропечи необходимо 1 – 2 минуты на термообработку 1 мм. При таком же процессе в печи с открытым пламенем достаточно и одной минуты, а при нагреве в ванне с раствором соли – около полуминуты. Самые минимальные затраты времени при закаливании с использованием ванны со свинцовым раствором, в которой достаточно и 6 секунд.
Когда раскаленный металл погружается в жидкость для закалки, происходит образование пленочного пара, который приводит к существенному снижению темпов остывания. Температура в пленочном паре существенно возрастает, а когда он разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности раскаленного металла и резко охлаждать его. Такой процесс называют кипением пузырьков.
При остывании металла жидкость перестает кипеть, а потому и сам процесс остывания существенно замедляется. В это время в металлическом изделии происходит процесс конвективного обмена теплом.
Таблица режимов закалки и отпуска стали
Температура нагрева, C°
Температура среды охлаждения, C°
Температура нагрева при отпуске, C°
Различия в закалке
Термозакалка изделий разниться от того, какие охладители используются для этого процесса. Она может подразделяться на:
Скорость остывания металлического изделия напрямую зависит от его размеров, а также формы. При этом существенную роль играет теплотворность стального изделия и сам вид используемой охлаждающей жидкости. При подборе жидкости надо учитывать легирующий состав и степень содержание углерода, ведь при наличии углерода менее чем в 20% стальное изделие подвергать закалке противопоказано.
В качестве жидкости, идеально подходящей для охлаждения, может использоваться вода, соляные и щелочные растворы. Также это может быть свинец и различные технические масла. Обычная вода охлаждает металл слишком быстро, что может подвергнуть его деформации и повредить структуру изделия.
Виды закалки металла
Закалка в одной среде
Такая закалка проще по выполнению, но не для любой стали и не для любых изделий ее можно применять.
Быстрое охлаждение в большом интервале температур изделий переменного сечения способствует возникновению температурной неравномерности и больших внутренних напряжений, называемых термическими.
Помимо термических напряжений, при превращении аустенита в мартенсит создаются дополнительно так называемые структурные напряжения, связанные с тем, что превращение аустенита в мартенсит происходит с увеличением объема.
Если деталь сложной формы или переменного сечения, то увеличение объема проходит неравномерно и вызывает возникновение внутренних напряжений.
Наличие больших напряжений может вызвать коробление изделия, поводку, а иногда и растрескивание, если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности.
Чем больше углерода, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.
Сталь с содержанием углерода более 0,8% закаливают в одной среде, если изделия простой формы (шарики, ролики и т.д.). В противном случае предпочитают закалку либо в двух средах, либо по способу ступенчатой закалки.
Закалка в двух средах
Этот способ нашел широкое применение для закалки инструмента из высокоуглеродистой стали.
Состоит он в следующем:
деталь вначале замачивают в воде и охлаждают до температур 500—550°, затем быстро переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.
Ступенчатая закалка
При этом способе деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой 250—300°C. Выдержка при этой температуре в течение 1,5—2 мин. должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению изделия, устраняя тем самым термические внутренние напряжения. Последующее охлаждение производят на воздухе.
В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли, селитры, легкоплавкие металлы.
Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, коробление и возможность растрескивания деталей.
Недостатки ступенчатой закалки
Недостаток этого вида закалки в том, что охлаждение в горячих средах не может обеспечить большую скорость охлаждения в интервале 400—600°C.
В связи с этим ступенчатую закалку для углеродистой стали можно применять для изделий небольшого сечения (диаметр до 10 мм, например, сверла).
Для легированных сталей, имеющих небольшие значения критической скорости закалки, ступенчатая закалка применима к изделиям большего сечения.
Закалка с подстуживанием
При таком способе деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе. Время выдержки на воздухе должно быть таким, чтобы не произошел распад на структуру перлита или сорбита. Это время определяется практикой закалки.
Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление и применяется для тонких и длинных деталей.
Поверхностная закалка стали
От некоторых деталей в эксплуатации требуется высокая поверхностная твердость при сохранении достаточно вязкой сердцевины, например зуб шестерни, шейка коленчатого вала и др.
В этом случае сталь сознательно закаливают на небольшую глубину. Существует несколько методов поверхностной закалки стали.
Поверхностная закалка при нагреве ацетилено-кислородным пламенем
агрев изделия производится ацетилено-кислородным пламенем. Пламенная горелка движущаяся вдоль изделия с определенной скоростью, нагревает его поверхность.
Вслед за горелкой с той же скоростью движется трубка, подающая воду, с помощью которой производится охлаждение изделия.
Глубина прогрева и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.
Поверхностная закалка токами высокой частоты
Нагрев изделий токами высокой частоты вызывает разогрев поверхностного слоя изделия.
Это объясняется тем, что токи высокой частоты распространяются с неравномерной плотностью по сечению. Чем больше частота тока, тем на меньшую глубину изделия токи проникают.
Благодаря этому возникает большая плотность тока у поверхности изделия, вызывающая весьма быстрый разогрев поверхностных слоев металла.
Этот метод имеет ряд преимуществ: высокую производительность, достаточную легкость регулирования глубины закаленного слоя, получение большей твердости, чем при обычных методах закалки, отсутствие окалины и коробления.
Применяемый для этой цели электрический ток получают от специальных генераторов, дающих переменный ток с частотой до 10 млн. гц (т.е. перемен направления тока в секунду). Ток городской сети имеет частоту 50 гц.
Нагрев изделия осуществляется индуктором, по которому проходят токи высокой частоты и большой силы.
Индуктор наводит (индуктирует) токи в изделии, помещенном внутри него.
Индуктор изготовляют из полых медных трубок, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, поэтому он сам не разогревается за тот короткий промежуток времени, за который деталь успевает нагреться до необходимой температуры.
Форма индуктора должна точно повторить форму изделия, только тогда изделие закалится да одну и ту же глубину по всему сечению. Затруднения бывают при сложной форме детали, что ограничивает применение этого метода.
Охлаждение нагретой детали осуществляется чаще всего либо дополнительным дождевым устройством, либо водой, циркулирующей внутри индуктора.
В связи с тем что новый тип детали требует изготовления нового индуктора, этот метод целесообразно применять при наличии однотипных деталей в массовом или крупносерийном производстве.
Особенности закалки стали
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:
В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.
По глубине обработки закалка делится на два вида:
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:
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.
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:
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:
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:
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:
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:
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.