Что такое закалка? Быстрое охлаждение: процесс, плюсы и минусы

Закалка — это вид термической обработки и один из основных процессов в HDCMfg. Она заключается в быстром охлаждении горячего металла для фиксации его атомов. Закалка превращает аустенит в твёрдый мартенсит, создавая материал с исключительной прочностью. 

Независимо от того, являетесь ли вы опытным металлургом или новичком, читайте дальше, чтобы узнать все о процессе закалки. 

Что такое закалка?

Закалка — это традиционный процесс термической обработки, повышающий твёрдость и прочность. Обычно закаливаемым металлам подвергаются чугун, литая сталь и черные металлы. 

Для выполнения закалки, 

• Сначала нагрейте сталь до критической температуры. 
• Затем выдерживайте эту температуру в течение некоторого времени, чтобы аустенизировать сталь. 
• После этого вы можете быстро охладить сталь в масле, воздухе или рассоле, в идеале ниже Ms. 

Влияние закалки на свойства металлов

Основная цель закалки — повышение твёрдости и прочности. При нагревании материала до критической температуры происходит частичная или полная аустенизация. 

Однако из-за быстрого охлаждения аустенит не может превратиться в феррит или перлит. Вместо этого он превращается в мартенсит, что делает металл очень твёрдым и хрупким. 

Преимущества:

Закалка даёт множество преимуществ металлообработчикам, в том числе:

• Твёрдость: Благодаря образованию мартенсита закалка делает металл очень твёрдым. Твёрдость — неотъемлемый фактор для деталей и инструментов, устойчивых к истиранию, таких как подшипники и наборы инструментов. 
• Износостойкость: Закалка повышает прочность стали на растяжение и предел текучести. Быстрое охлаждение блокирует атомы в искажённой структуре кристаллической решетки. Это затрудняет перемещение дислокаций. 
• Предел упругости: В производстве пружины подвергаются закалке с целью повышения предела их упругости. 

Недостатки: 

Недостатками закалки являются:

• Остаточное напряжение: Остаточное напряжение Могут быть внесены в металл во время закалки. Из-за неравномерной скорости охлаждения поверхность будет охлаждаться и сжиматься быстрее, чем внутренняя часть. Это приводит к возникновению растягивающих и сжимающих напряжений.

Если не контролировать этот риск, ваше изделие может стать подверженным деформации или растрескиванию. Проконсультируйтесь с поставщиком о наилучших методах последующей закалки для снижения риска этой проблемы. 

• Пластичность: Хотя закалка повышает прочность и твёрдость, она приводит к потере пластичности металла. Поскольку металл находится в хрупком состоянии, он становится более склонным к растрескиванию под напряжением.

Именно поэтому после закалки мы проводим отпуск. Отпуск снижает хрупкость, не вызывая потери прочности. 

Выбор закалочной среды

Существует несколько методов и технологий закалки. Каждый из них существенно влияет на конечные свойства готового материала. Рассмотрим распространённые среды для закалки металлов и их преимущества.

Вода

Вода — агрессивный метод закалки, поскольку обеспечивает самую быструю скорость охлаждения. Быстрое охлаждение водой подходит, когда твёрдость и прочность играют решающую роль. Однако при несоблюдении правил закалки металл становится подверженным растрескиванию и деформации. 

Масло

Закалка в масле происходит медленнее и более контролируемо, чем закалка в воде. Поэтому она считается безопасным методом предотвращения растрескивания и деформации металла.  

Закалка в масле идеально подходит для достижения баланса между твёрдостью и прочностью. Благодаря уникальному процессу охлаждения она также обеспечивает превосходную чистоту поверхности металла.

Воздух

Воздух — наиболее экономичный способ закалки. Он предполагает нагрев стали и её медленное охлаждение на воздухе. Поскольку воздух — самая медленная закалочная среда, он минимизирует риск образования трещин и термических напряжений. Это делает воздух идеальным для сталей, требующих исключительной вязкости и умеренной твёрдости. 

Другой вид закалки на воздухе — сжатый воздух. Этот метод позволяет точнее контролировать температуру и скорость охлаждения.  

Рассол

Соль 10% добавляется в воду для образования рассола. Этот способ закалки встречается реже, чем закалка в воде, воздухе или масле. Но он обеспечивает более высокую скорость охлаждения, даже быстрее, чем вода. 

Стоит отметить, что рассол вызывает коррозию. Поэтому после завершения работы его необходимо тщательно удалить со стали. 

Охлаждающая жидкость на основе полимеров

Полимеры не являются закалочной средой, а скорее закалочной добавкой. Скорость их охлаждения немного выше, чем у масла, но ниже, и они менее коррозионны, чем вода. 

Полимеры обратно растворимы в воде. Это означает, что они отделяются от воды в начале закалки. Благодаря этому эффекту вокруг металла образуется полимерный раствор, что позволяет более контролируемо распределять тепло.  

Распространенные материалы, подлежащие закалке

Ниже приведены распространенные материалы, которые подвергаются закалке:

Стали 

Наиболее распространённым металлом, подвергаемым закалке, является сталь. Благодаря высокому содержанию углерода, закалка преобразует аустенит в мартенсит, повышая твёрдость и прочность. 

Алюминиевые, титановые и медные сплавы 

Некоторые титановые сплавы можно подвергать закалке. Это полезно для проектов, где удельный вес играет важную роль. К ним относятся оборонная, аэрокосмическая и автомобильная промышленность. То же самое относится и к некоторым алюминиевым сплавам. Вы можете подвергнуть эти сплавы закалке, чтобы улучшить их характеристики. 

Прежде чем двигаться дальше, необходимо понимать, что закалка оказывает противоположное воздействие на большинство цветных сплавов. Вместо закалки эти металлы размягчаются. Примерами служат медь, алюминий и аустенитные нержавеющие стали, такие как 304. 

Обработка после закалки

Помимо повышения твёрдости, закалка делает сталь более хрупкой. Если её не отпустить, некоторые стали становятся слишком хрупкими для обработки.

Вот тут-то и вступают в дело обработки после закалки. Такие методы, как отпуск, закалка на мартенсит и изотермическая закалка, еще больше улучшают качество металла, обеспечивая баланс пластичности и прочности. 

Закалка: 

После закалки можно провести отпуск металла, чтобы контролировать его излишнюю твердость. Закалка Процесс включает нагревание металла и выдержку его при температуре ниже критической. После этого металл можно охладить до комнатной температуры. 

Передовые методы закалки:

При использовании современных методов закалки сталь закаливается при температуре выше Ms (температуры начала мартенситного превращения). После этого сталь выдерживается до образования чистого бейнита или снятия внутренних напряжений. Рассмотрим эти методы: 

МартемперингЗакалка на мартенсит, также известная как ступенчатая закалка, снижает напряжения, возникающие при закалке. Закалку на мартенсит можно выполнить, нагрев сталь выше критического диапазона, а затем закалив её при температуре от 150 °C до 300 °C.

Затем выдерживайте температуру выше Ms (температура начала мартенсита) до достижения равномерной температуры по всей стали. После этого можно охладить металл до комнатной температуры и провести обычный отпуск. 

Аустемперирование: Закалка под давлением — это метод последующей закалки, уменьшающий деформацию металла. По сути, он аналогичен обычной закалке с отпуском. Основное отличие заключается в том, что металл дольше выдерживается при температуре закалки. 

Применение закалки

Процесс закалки повышает твёрдость и прочность. Благодаря этим свойствам закаленная сталь широко используется в промышленности где долговечность и высокая прочность являются важными факторами. К ним относятся:

• Изготовление инструментов: Подумайте о повседневных ножах, лезвиях секаторов и свёрлах. Эти инструменты выдерживают циклические нагрузки, поэтому они должны быть прочными и пластичными. 
• Военный: Производители оборонной продукции используют закаленную сталь для создания деталей огнестрельного оружия, броневых листов и компонентов самолетов.  
• Ручные инструменты: Закаленная сталь применяется для изготовления прочных сельскохозяйственных инструментов, гаечных ключей, отверток и других инструментов.

Безопасность, стоимость и практические соображения

Закалка — это простой процесс, происходящий на поверхности. Материал нагревается до критической температуры, а затем быстро охлаждается, чтобы закалить его.

Однако используемые механические процессы весьма специфичны. Поэтому лучше всего доверить определение подходящих температур и метода охлаждения сертифицированным металлургам. 

При этом следует учитывать ключевые соображения безопасности и стоимости. 

• Оборудование: Закалочная ванна — это специальная ванна для охлаждения металла. Независимо от размера, она должна быть способна поддерживать температуру охлаждения в узком диапазоне. В противном случае вы можете не достичь желаемых механических свойств. 
• Охлаждающий потокТекучесть — это скорость, с которой жидкая закалочная среда движется по металлу. Без неё закалочная среда просто закипит, превращаясь в пар. Чтобы предотвратить кипение, поддерживайте текучесть закалочной среды и оставляйте достаточно места между металлическими деталями, способствуя плавному течению. 
• Угрозы безопасности: Масляные закалочные жидкости могут воспламениться при перегреве или воздействии искр. Поэтому в профессиональных условиях обязательно наличие огнетушителей и систем пожаротушения.
• СкоростьЕсли между печью и резервуаром будет слишком много времени, металл может снова превратиться в перлит, а значит, нагрев будет потрачен впустую. 
• Расходы: Вода — самая дешёвая среда для закалки. Имейте в виду, что она представляет наибольший риск деформации и растрескивания. Масло, напротив, обеспечивает лучший контроль над свойствами вашего материала. Но оно дороже и существует риск возгорания. 

Наконец, полимерные закалочные системы обеспечивают наибольшую гибкость в скорости охлаждения. Однако они дороги и требуют постоянного обслуживания.

• Коррозия и разливы: Охлаждающие жидкости на основе воды или рассола могут вызвать ржавчину на расположенном рядом оборудовании. Кроме того, пролитые масла могут повредить полы и увеличить риск поскальзывания.

Вывод

В заключение, закалка — это исключительный способ улучшить эксплуатационные характеристики вашего металла. Превращая аустенит в мартенсит, закалка делает металл очень твёрдым и очень хрупким. 

Наконец, лучше всего проконсультироваться эксперты по термообработке Чтобы обеспечить оптимальные настройки для вашего проекта. Поскольку разные металлы по-разному реагируют на закалку, ошибки исключены. Несоблюдение конкретных рекомендаций по сплавам может привести к дорогостоящим ошибкам.