Закалка металла: технология и способы закаливания стали

Содержание

• Что такое зеркала?
• Общие сведения о технологии упрочнения стали
• Зачем нужна закалка стали?
• Свойства стали после закаливания
• Какие металлы подвергаются закалке?
• Способы закалки стали
• Методы охлаждения
• Возможные дефекты после закалки
• Вывод

Что такое закалка?

Закаливание металла — это процесс упрочнения металла путем термической обработки. При этом металл нагревают до определенной температуры, а затем дают ему остыть, чтобы повысить его твердость и прочность. Этот процесс может использоваться для различных металлов, включая сталь, алюминий, медь и титан. Цель закаливания металла — сделать материал более прочным и устойчивым к износу или повреждениям.

Упрочнение металла может осуществляться несколькими методами, в зависимости от типа обрабатываемого металла. Например, сталь можно упрочнить, закалив ее в масле или воде после нагрева. Для алюминия и других металлов может потребоваться отжиг или закалка. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, которые следует учитывать при выборе оптимального варианта для конкретного проекта.

Преимущества упрочнения металла многочисленны; она повышает прочность и долговечность материала, а также улучшает его устойчивость к износу или повреждениям с течением времени. Кроме того, этот процесс может помочь снизить затраты, поскольку требует меньше сырья, чем другие методы, такие как ковка или литье. Наконец, поскольку этот процесс не включает в себя никаких химических реакций с другими материалами, в ходе него также не образуются опасные побочные продукты.

В целом, закалка металла — это эффективный способ упрочнения различных типов металлов без образования опасных отходов.

Общие сведения о технологии упрочнения стали

Закаливание стали — один из самых популярных процессов, используемых для укрепления и повышения прочности, срока службы и производительности стали в различных областях применения. В этом процессе сталь нагревается до определенной температуры, обычно от 800°c (1472°f) до 900°c (1652°f), в зависимости от ее химического состава. Затем сталь подвергается быстрому охлаждению в масляной ванне или в воде, что приводит к образованию мартенсита, который делает сталь более твердой, чем раньше, но в то же время более хрупкой из-за точек концентрации напряжений, создаваемых сохранившимися частицами аустенита в микроструктурах после термообработки.

Зачем нужна закалка стали?

Закаливание стали может использоваться для различных целей, например, для изготовления инструментов, ножей, мечей или любых других изделий, требующих повышенной вязкости и прочности, а также улучшенной устойчивости к коррозии или износу в процессе эксплуатации. Закаленные стали также часто используются в промышленности, где требуется повышенная прочность таких компонентов, как шестерни или подшипники, которые подвергаются высоким нагрузкам во время работы.

Свойства стали после закаливания

Стали, подвергнутой процессу закалки, приобретают ряд характеристик, которые делают их более прочными и твердыми. Вот некоторые из свойств:

1. Твердость: Закалка значительно повышает твердость стали. Быстрое охлаждение "замораживает" микроструктуру металла, приводя к образованию мартенсита — очень твердой и хрупкой фазы. Чем больше интенсивность упрочнения, тем выше твердость стали.
2. Прочность: Закаливание также повышает прочность стали. Образование мартенсита и изменение микроструктуры металла делают его более прочным и устойчивым к деформациям. Это особенно важно для применений, где требуется высокая прочность, таких как ножи, инструменты и пружины.
3. Износостойкость: Закаленная сталь обладает улучшенной износостойкостью. Твердый и прочный материал лучше справляется с трением, износом и образованием следов, что позволяет ей сохранять остроту режущих кромок и долго служить в условиях высоких нагрузок.
4. Хрупкость: Однако важно отметить, что закаливание может привести к повышенной хрупкости стали. Мартенситная структура, полученная в результате закалки, обычно имеет меньшую пластичность, что делает материал более склонным к трещинам и разрывам. Поэтому важно сбалансировать твердость и прочность с достаточной пластичностью для конкретного применения.
5. Ударная вязкость: Закаленная сталь может иметь низкую ударную вязкость. Повышенная твердость и хрупкость могут снижать способность материала поглощать энергию удара, что может быть нежелательным в некоторых приложениях. В таких случаях может потребоваться последующая термическая обработка, например, отпуск, чтобы улучшить ударную вязкость.

Все эти свойства стали после закалки могут быть настроены и изменены путем правильного выбора температур, времени нагрева и охлаждения, а также дополнительных этапов обработки, таких как отпуск, чтобы достичь оптимального баланса свойств для конкретного применения.

Какие металлы подвергаются закалке?

Такой способ может применяться к различным металлам и сплавам, хотя не все они реагируют на нее одинаково. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных металлов и сплавов, подвергаемых закалке:

1. Стали: Стали являются одним из наиболее распространенных типов металлов, подвергаемых упрочнению. Это включает углеродистые стали, низколегированные стали и высоколегированные стали. Упрочнение стали может привести к повышению твердости, прочности и износостойкости.
2. Чугуны: Некоторые типы чугунов также могут быть подвергнуты закалке. Чугуны с высоким содержанием карбида и специальные чугуны, такие как отливки для изготовления инструментов, могут быть закалены для повышения их твердости и износостойкости.
3. Нержавеющие стали: Некоторые нержавеющие стали могут быть подвергнуты закалке для улучшения их механических свойств. Однако не все нержавеющие стали подходят для этого процесса, так как некоторые могут быть более склонны к хрупкости при закалке.
4. Алюминий и его сплавы: Хотя алюминий не является типичным материалом для закаливания, некоторые сплавы алюминия могут быть подвергнуты специальному виду обработки, известному как "нагар". Это процесс, при котором алюминиевый сплав нагревается и охлаждается для улучшения его прочности и твердости.
5. Титан и его сплавы: Титан и некоторые его сплавы также могут быть закалены для улучшения их механических свойств. Упрочнение титана может способствовать повышению его прочности и устойчивости к износу.

Важно отметить, что каждый тип металла и сплава может иметь свои особенности и требования к процессу закалки. Параметры закалки, такие как температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения, должны быть оптимизированы для конкретного материала с учетом его химического состава и требуемых свойств после закалки.

Способы закалки стали

Закалка в одной среде

Это метод закалки металла, при котором охлаждение металла происходит в одной и той же среде, в которой он был подвергнут нагреву. Этот метод используется для достижения требуемой структуры и свойств металла путем контролируемого охлаждения в одной среде.

Процесс закалки в одной среде может включать следующие шаги:

1. Нагрев: Металл нагревается до определенной температуры, которая обычно выше точки остывания (Ac3) или точки превращения мартенсита (Ms). Это позволяет аустениту образоваться в металле.
2. Закаливание: После достижения нужной температуры металл быстро охлаждается в той же среде, в которой происходил нагрев. Эта среда может быть вода, масло, солевой раствор или даже воздух. Охлаждение в одной среде позволяет контролировать скорость охлаждения и, таким образом, влиять на структуру и свойства металла.

Закалка в одной среде может быть настроена для достижения различных результатов в зависимости от требуемых свойств металла. Быстрая закалка может привести к формированию мартенсита, который обладает высокой твердостью и прочностью. Медленная закалка может способствовать формированию более мягкой и пластичной структуры, такой как бейнит или перлит.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (или двухфазная закалка) - это метод упрочнения металла, который включает последовательное охлаждение металла в двух различных средах с разными температурами охлаждения. Этот метод обычно используется для достижения определенной комбинации механических свойств и структуры в металле.

Процесс закалки в двух средах обычно включает следующие этапы:

1. Нагрев: Металл нагревается до определенной температуры, которая обычно выше точки остывания (Ac3) или точки превращения мартенсита (Ms). Это позволяет аустениту образоваться в металле.
2. Первое охлаждение: После нагрева металл быстро охлаждается в первой среде, которая может быть водой, маслом или солью. Это охлаждение происходит до определенной температуры, называемой температурой перехода (Ms), которая обычно ниже комнатной температуры. Это приводит к превращению аустенита в мартенсит.
3. Второе охлаждение: После первого охлаждения металл переносится во вторую среду с более высокой температурой охлаждения. Это может быть воздух или специальная среда, такая как сжатый воздух или печная среда. Второе охлаждение выполняется для дальнейшего укрепления металла и стабилизации его структуры.

Закаливание в двух средах позволяет управлять формированием мартенситной структуры в металле и получать определенные механические свойства. Первая среда с более быстрым охлаждением способствует образованию мартенсита, который обладает высокой твердостью и прочностью. Вторая среда с более медленным охлаждением помогает уменьшить внутренние напряжения и повысить пластичность металла. Таким образом, закалка в двух средах позволяет достичь баланса между твердостью и пластичностью в металле, что может быть важно для определенных приложений.

Ступенчатая закалка

Ступенчатая закалка (иногда также называемая многоступенчатой) - это метод закаливания металла, в котором металлическое изделие подвергается последовательной серии нагревания и охлаждения на разных температурах для достижения желаемой структуры и свойств.

Процесс ступенчатой закалки обычно включает следующие этапы:

1. Нагрев: Металл нагревается до определенной температуры, которая может быть выше точки остывания (Ac3) или точки превращения мартенсита (Ms).
2. Закаливание: После достижения заданной температуры металл быстро охлаждается в среде, такой как вода, масло или соль. Это быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит.
3. Отпуск: После закалки металл подвергается отпуску, который представляет собой нагрев до определенной температуры ниже точки остывания, за которой следует контролируемое охлаждение. Этот этап выполняется для уменьшения внутренних напряжений и улучшения пластичности и ударной вязкости металла.

Применение ступенчатой закалки позволяет контролировать структуру и свойства металла. Каждый этап нагрева и охлаждения может влиять на структуру и механические характеристики металла, такие как твердость, прочность, ударная вязкость и пластичность. Путем настройки параметров ступенчатой закалки можно добиться определенных свойств, необходимых для конкретного применения, и достичь баланса между твердостью и пластичностью.

Закаливание с подстуживанием

Закалка с подстуживанием (иногда также называемая закалкой с охлаждением средней температуры или закаливание с отпуском) - это метод закалки металла, который включает охлаждение металла после закалки до промежуточной температуры, а затем его последующее нагревание и охлаждение вторичной ступени, известной как отпуск.

Процесс закаливания с подстуживанием может включать следующие этапы:

1. Нагрев: Металл нагревается до определенной температуры, которая обычно выше точки остывания (Ac3) или точки превращения мартенсита (Ms). Это позволяет аустениту образоваться в металле.
2. Закаливание: После достижения нужной температуры металл быстро охлаждается в среде, такой как вода, масло или соль. Быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит.
3. Подстуживание: После закалки металл охлаждается до промежуточной температуры, которая находится ниже точки остывания. Это подстуживание выполняется для снятия остаточных напряжений и уменьшения хрупкости металла.
4. Отпуск: После подстуживания металл подвергается вторичному нагреву до определенной температуры, которая может быть ниже первоначальной температуры нагрева. Затем металл охлаждается с контролируемой скоростью в среде, обеспечивающей желаемые свойства и структуру.

Такой метод позволяет уменьшить внутренние напряжения, которые могут возникнуть в результате быстрой закалки, и улучшить пластичность и ударную вязкость металла. Отпускная стадия помогает также устранить нежелательные эффекты, связанные с закалкой, такие как избыточная хрупкость или возможные деформации.

Поверхностная закалка стали

Это метод закалки, который применяется для улучшения твердости и износостойкости только внешнего слоя стали, оставляя внутренний материал более мягким и пластичным. Этот процесс часто используется для поверхностей, которые должны быть очень твердыми и устойчивыми к истиранию, сохраняя при этом прочность и пластичность внутренней части изделия.

Процесс поверхностной закалки может включать следующие этапы:

1. Подготовка поверхности: Поверхность стали подвергается чистке и/или механической обработке для удаления загрязнений и создания подготовленной поверхности.
2. Нагрев: Затем поверхность стали нагревается до температуры, которая находится ниже точки остывания (Ac3) или точки превращения мартенсита (Ms). Нагрев может быть выполнен с использованием различных методов, таких как индукционный нагрев или пламенный нагрев.
3. Закалка: После нагрева поверхность стали быстро охлаждается, обычно путем контакта с холодным средством, таким как вода, масло или солевой раствор. Быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит, что обеспечивает поверхности стали повышенную твердость.
4. Отпуск: После закалки поверхность стали подвергается отпуску - процессу нагрева до определенной температуры, после чего происходит контролируемое охлаждение. Отпускное нагревание и охлаждение проводятся для снятия остаточных напряжений и уменьшения хрупкости.

Поверхностная закалка стали позволяет улучшить механические свойства только внешнего слоя, оставляя остальную часть материала менее жесткой и более пластичной. Это особенно полезно для поверхностей, которые подвергаются сильному износу, трению или абразивному воздействию. Такие изделия, как инструменты, зубчатые колеса, валы и покрытия, могут быть подвергнуты поверхностной закалке стали для повышения их долговечности и стойкости к износу.

Методы охлаждения

Закалка стали может выполняться различными способами в зависимости от требуемых свойств и конкретных условий процесса. Вот наиболее распространенные способов закалки стали:

В воде

Это наиболее распространенный и быстрый способ закаливания стали. Нагретая сталь быстро погружается в холодную воду, что приводит к быстрому охлаждению и закалке. Вода обеспечивает интенсивное охлаждение и создает твердую и прочную структуру. Однако при этом методе могут возникать деформации или трещины.

В масле

Этот метод более медленный и более мягкий, чем закаливание в воде. Нагретая сталь погружается в специальное масло, такое как минеральное или полимерное масло. Масло обеспечивает более медленное и равномерное охлаждение, что помогает предотвратить возможные деформации и трещины.

На воздухе

Этот метод закалки используется для некоторых типов стали, особенно для более крупных или толстых предметов. В этом случае нагретая сталь остается на воздухе и охлаждается естественным образом. Закалка в воздухе обеспечивает медленное и более контролируемое охлаждение, что может помочь предотвратить возможные деформации или трещины.

В соли

Этот метод используется для закалки некоторых специальных видов стали и сплавов. Нагретая сталь погружается в расплавленную соль, которая обеспечивает контролируемое охлаждение и предотвращает образование избыточных напряжений.

Выбор конкретного способа закалки стали зависит от ее химического состава, типа стали, формы и размеров изделий, требуемых свойств после закалки и доступных технологических возможностей.

Возможные дефекты после закалки

Хотя этот процесс может быть полезным, он также может привести к различным дефектам, если он выполнен неправильно.

Одним из распространенных дефектов является растрескивание. Трещины могут возникнуть из-за неравномерного нагрева или охлаждения, что может привести к разрушению металла под напряжением. Другой дефект, который может возникнуть,— коробление или деформация из-за теплового расширения или сжатия в процессе закаливания. Кроме того, существует риск обезуглероживания, если металл нагревается слишком быстро или слишком горячо, что снижает его прочность и твердость.

Важно отметить, что эти дефекты не всегда появляются после закалки металла, но они возможны, если не соблюдать должную осторожность во время процесса. Для тех, кто выполняет закаливание металла, важно понимать, как температура и время влияют на различные металлы, чтобы избежать этих проблем. Кроме того, тем, кто использует закаленные металлы в своих изделиях, важно регулярно осматривать их на наличие трещин или других дефектов, чтобы их можно было устранить до того, как произойдет дальнейшее повреждение.

Хотя закалка металлов может быть эффективным способом повышения прочности и долговечности определенных материалов, ее всегда следует проводить с осторожностью, чтобы предотвратить возникновение любых потенциальных дефектов. Понимая, как температура и время влияют на различные металлы во время этого процесса, и регулярно осматривая изделия на наличие признаков растрескивания или деформации, можно гарантировать, что их продукция останется безопасной и надежной в течение долгого времени.

Вывод

В целом, технология процесса и методы закалки стали были изучены достаточно глубоко. Важно отметить, что каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, связанные с затратами, скоростью и конечным результатом. Выбор наилучшего метода для конкретного применения зависит от конкретных потребностей конкретного проекта. Хотя не существует единственного идеального решения для упрочнения стали, понимание имеющихся вариантов может помочь специалистам принять обоснованное решение о том, какой метод лучше всего подойдет для их уникальной ситуации.