ГлавнаяРазноеЗакаливание стали

Закалка и науглероживание металлов. Закаливание стали


Закаливание стали Википедия

Эта статья о способе обработки металлов. О методе укрепления здоровья человека см. Закаливание

Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала[1].

Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Типы закалок

По полиморфному превращению

  • Закалка с полиморфным превращением, для сталей
  • Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

По температуре нагрева Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.

Закалочные среды

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки

Цвета каления
  • 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.

Дефекты

Дефекты, возникающие при закалке стали.[2]

  • Недостаточ­ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.
  • Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали. Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.
  • Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и ис ее невозможно.
  • Окисление и обезуглероживание стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.
  • Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Примечания

Источники

  • БСЭ
  • А.П. Гуляев. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977.

Ссылки

wikiredia.ru

Что происходит при закалке

Еще в средние века славились дамасские сабли и клинки своей остротой и гибкостью. Таким клинком, который изгибался почти в кольцо, можно было разрубить в воздухе подброшенный газовый шарф.

Сирийские мастера скрывали способы обработки стали, из которой они изготовляли такие сабли. Но в наше время уже известно, как придать стали высокие качества различными видами обработки.

Чтобы сделать сталь очень твердой, ее подвергают закалке. Этот способ обработки был известен еще европейским кузнецам средневековья, и описание его осталось в старинной литературе.

Для закалки напильника, сверла или клинка их нагревали до белого каления, обсыпав порошком обугленного рога, смешанным с солью. Раскаленные изделия погружались затем в холодную воду и приобретали большую твердость.

Почему после такой обработки сталь становится тверже? Это долго оставалось загадкой. Даже значительно позднее, когда мастера при закалке давно уже обходились без порошка сожженного рога, никто не мог объяснить, почему в процессе закалки сталь приобретает новые свойства.

Ответить на этот вопрос стало возможным только после изучения строения металлов.

При нагревании до белого каления сталь размягчается, и большая часть ее кристалликов разрушается.

Когда же закаляемый инструмент погружается в холодную воду, поверхностный слой охлаждается и затвердевает очень быстро. Поэтому образующиеся кристаллические зерна так мелки, что их трудно различить при обычно применяемом для рассматривания увеличении.

Чем мельче зерна металла, тем крепче они связаны между собой. Этим и объясняется большая твердость поверхностного слоя закаленной стали.

Можно воздействовать на качество стали и другими способами — проковкой, прокаткой, протяжкой. От подобной холодной обработки сталь делается более вязкой и гибкой, не теряя твердости.

Как же влияет такая обработка на строение металла?

Советские физики Н. Е. Успенский и С. Т. Конобеевский исследовали ее влияние. Они доказали, что причина приобретения новых качеств сталью — изменение ее текстуры, то есть расположения отдельных зерен в металле. Каждое зерно металла имеет неправильную форму, атомы в нем расположены в строгом порядке, в соответствии с кристаллической решеткой. По отношению же друг к другу зерна ориентированы беспорядочно. И вот холодная обработка металла упорядочивает  относительное расположение зерен.

Например, в результате прокатки металлические зерна могут расположиться так, что плоскости наибольшей сгущенности атомов станут взаимно параллельными. Такое упорядочение распределения зерен придает стали гибкость и вязкость.

На рисунке слева зерна металла расположены беспорядочно, справа — упорядоченное расположение, когда плоскости наибольшей густоты атомов взаимно параллельны.

Еoе более удивительны свойства, приобретаемые при закалке стеклом. Уже давно обратили на себя внимание так называемые «батавские слезки» —  застывшие в холодной воде капли расплавленного стекла. Они имеют грушевидную форму с острым, изогнутым в сторону кончиком.

«Слезка» выдерживает сильные удары. Но, если отломить ее тонкий кончик, она мгновенно и со взрывом распадается на мельчайшие осколки. Такой опыт опасен. Его можно сделать, погрузив «слезку» в стакан с водой. При этом от взрыва стакан почти всегда лопается.

В наше время закаленное стекло широко применяется в технике. Из него делают так называемые небьющиеся стекла для вагонных окон, автомобилей, самолетов...

Для закаливания стекло нагревают до 600 — 650 градусов, а затем быстро охлаждают в струе холодного воздуха. Закаленное стекло толщиной 5 — 6 миллиметров выдерживает удар шара весом 800 граммов при падении его с высоты 120 сантиметров. Разбиваясь, оно рассыпается на мелкие кусочки без острых режущих краев.

В чем же причина этих новых свойств закаленного стекла? Ответ дает изучение его молекулярного строения.

При быстром остывании поверхностного слоя частицы стекла закрепляются в так называемом «неравновесном состоянии». Их относительное положение можно сравнить с неустойчивым равновесием тел, опирающихся на точку, лежащую ниже центра тяжести. При нарушении целостности стекла его частицы теряют равновесие и рассыпаются.

Проникнув в тайны мира атомов и действующих между ними сил, удалось разрешить и другие загадки техники. Такой загадкой, например, являлся один из способов обогащения руд — так называемая флотация. Открытие этого способа стало важнейшим этапом развития современного горного дела.

www.stroitelstvo-new.ru

Закалка и науглероживание металлов - Кустарь

Закалка имеет целью придать стали особую твердость, свойственную стали, нагретой выше 700 °C и быстро охлажденной. При операциях закалки большое значение имеет правильный накал металла (отсутствие пережога) и равномерное быстрое охлаждение. При накаливании металла следует избегать излишнего окисления поверхности. Лучше всего накаливаемую сталь покрывать особым составом, который содержит в себе углерод. Углерод этот переходит в сталь (науглероживание) и сообщает ей особую твердость.

1. Ванны для закаливания по Шену. Примененная опытной рукой водяная баня является самым дешевым средством для закаливания металлов. Нужно только позаботиться, чтобы водяная баня была продолжительное время одинаковой температуры, лучше всего 27°. При более теплой воде металл делается ломким, при горячей воде — недостаточно твердым. Выгоднее всего при каждом сорте товара пробным опытом установить верную температуру и уже держаться ее при работе.

2. Особый прием закалки стали. Как известно, стали можно придать путем особой закалки такую твердость, что она будет резать стекло, подобно алмазу. Но не всем известно, что для сообщения стали такой твердости существует простой способ. Шило, лезвие ножа или другой инструмент следует накалить до ярко красного свечения и тотчас же погрузить в обыкновенный сургуч на одну лишь секунду. Операцию погружения в сургуч нужно повторить несколько раз, выбирая каждый раз для погружения свежее место в сургуче до тех пор, пока сталь не остынет и не будет уже более входить в сургуч. Тогда процесс закалки считается законченным. Остается очистить приставшие частицы сургуча. При употреблении закаленного таким способом острия или лезвия из стали, советуется каждый раз смачивать его скипидаром.

3. Составы для науглероживаиия закаливаемой стали. а) Хорошим составом для науглероживания закаливаемой стали может быть следующий: берут 1 толченого стекла, 200 поваренной соли, 8 животного угля, 2 древесного угля, 2,5 ржаной муки, 25 канифоли и 1200 желтой кровяной соли, растирают все составные части в порошок и замешивают в спирте до получения густого теста. Этим составом Покрывают стальные предметы перед закалкой. Особенно пригоден он для инструментов, как напр., напильников и т. п.

б) Вместо указанного выше рецепта можно применить следующий. Берут 700 канифоли, 300 железисто- синеродистого калия (желтой кровяной соли), 100 медного купороса и 100 льняного масла. Эти составные части, начиная с канифоли, варятся в горшке при постоянном помешивании (по Бруккерту) до тех пор, пока останется остаток в 1000 (улетучивают таким образом 200). Массу выливают в ящики, где она затвердевает. Чтобы закалить инструмент, его нагревают до вишнево-красного каления и втыкают в массу, которая под влиянием разогретого инструмента становится сразу мягкой. Хорошую сталь еще раз нагревают и погружают затем в холодную воду, отчего сталь становится очень упругой. Сталь худшего качества нужно 2 — 3 раза подряд погружать, каждый раз перед этим накаливая ее, в закаливающуюмассу.

4. Закалка напильников. Напильники обсыпаются смесью из 5 роговой муки, 5 древесного угля в порошке, 2 поваренной соли в порошке и 1 железисто-синеродистого Калия (желтой кровяной соли).

Автор: Г. Бродерсен

www.sdelaysam.info

Термическая обработка стали: нагревы и охлаждения

Операции термической обработки стали, основой которых является нагрев до некоторой температуры и выдержка при ней были рассмотрены ранее. К ним относятся: отпуск, обработка на твердый раствор и отжиг. Далее рассмотрим операции термической обработки стали, которые включают как нагрев, так и регламентируемое охлаждение с различной интенсивностью – от охлаждения на спокойном воздухе до резкого охлаждения водой.

Нормализация стали

Нормализацией стали называют обработку стали на твердый раствор при температуре не менее, чем на 55 ºС выше верхней критической температуры с  последующим охлаждением на воздухе. Температура нормализации зависит от содержания углерода в стали как это показано на рисунке. Целью нормализации обычно является улучшить зеренную структуру и, кроме того, немного упрочнить сталь.

nagrev-stali-pod-zakalkuРисунок – Упрощенная диаграмма железо-углерод.Заштрихованная полоса – интервал нагрева стали для нормализации и закалки

При нормализации изделия располагают так, чтобы при охлаждении садки после нагрева воздух мог свободно циркулировать вокруг каждого изделия. Если потоки воздуха вокруг нагретых изделий затруднены, то операция термической обработки будет ближе к отжигу, чем к нормализации.  Ускоренное охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом может дать результат больше похожий на закалку.

Микроструктура, которая возникает при нормализации, является смесью феррита и перлита, обычно с низкими остаточными напряжениями и почти без коробления. Некоторые изделия после нормализации подвергают отпуску, чтобы получить небольшое дополнительное умягчение стали, а также дополнительное снижение остаточных напряжений. Однородная нормализованная структура обычно хорошо обрабатывается резанием.

Закалка стали

Чтобы получить более высокую прочность и твердость, чем при нормализации, необходимо применять такую скорость охлаждения стали от температуры аустенитизации, которая обеспечивала бы превращение аустенита в бейнит и мартенсит, а не в феррито-перлитную смесь. Такую операцию называют закалкой. Закалка заключается в аустенитизации  стали при температурах, показанных на рисунке 1, а затем достаточно быстром охлаждении для того, чтобы феррит и перлит не успели образоваться.

Закалочные среды

Максимально достижимая твердость закаленной стали твердость зависит практически только от содержания углерода. Она достигается путем охлаждения со скоростью равной или выше критической скорости охлаждения для данного сплава. В качестве закалочной среды применяют воду, соляные растворы, масло, водо-полимерные растворы и, в некоторых случаях, инертные газы.

Закалка стали в воде и масле

Обычно при закалке стали применяют воду и солевые растворы. Там где это возможно применяется более дешевая вода. Однако закалка, например, высокоуглеродистых сталей, требует применения масла. При закалке стальных изделий сложной формы для минимизации коробления и растрескивания также часто применяют масло. Охлаждение сталей маслом почти всегда медленнее, чем водой.

Закалка стали в растворах органических полимеров

Некоторые органические полимеры при добавлении в воду дают ей закалочные свойства, схожие с теми, которыми обладает масло. Основное преимущество этих растворов заключается в том, что они отнимают тепло более медленно, чем вода, но без опасности возгорания, которая характерна для масла. Недостатком полимерных растворов является то, что они требуют строгого контроля концентрации, температуры и  перемешивания для достижения стабильных результатов закалки. Степень жесткости закалки в соляных ваннах может изменяться в широких пределах и зависит от типа полимера, его концентрации, температуры ванны и интенсивности перемешивания раствора в ходе закалки.

Прерванная закалка стали

В некоторых случаях требуется закаливать сталь в воде или солевом растворе для получения высокой поверхностной твердости изделия. Однако охлаждение водой или солевым раствором до полной закалки стали может привести к короблению изделия или образованию закалочных трещин. Если нет необходимости упрочнять сталь по всему поперечному сечению, то часто применяют так называемую прерванную закалку. По-английски ее еще называют «slack quenching», слабая или ослабленная закалка. Прерванная закалка обычно включает закалку в воде в течение определенного времени, а затем изделие переносят в масляную ванну для завершения превращения.

Закалка углеродистых и низколегированных сталей всегда сопровождается отпуском.

Отпуск закаленной стали

Отпуском называется процесс нагрева закаленной стали до температуры ниже нижней критической температуры с последующим охлаждением до комнатной температуры. Целью отпуска является снизить внутренние напряжения и уменьшить твердость и тем самым получить более высокую пластичность, чем в случае закаленных изделий без отпуска. Отпуск немного модифицирует структуру мартенсита и это изменение используют для «регулировки» прочности, твердости, вязкости и других механических свойств до заданных величин.

Углеродистые и низколегированные стали отпускают в температурном интервале от 175 до 700 °С. Длительность выдержки может различаться от 30 минут до нескольких часов. Более длинное время отпуска при данной температуре или более высокая температура при данной выдержке увеличивает степень умягчения стали. При одной и той же температуре мартенсит снижает свою прочность и твердость более значительно, чем перлит, а скорость изменения свойств стали при отпуске зависит от ее химического состава.

Отпускная хрупкость стали

Некоторые легированные стали при отпуске при температуре ниже 595 °С могут страдать к отпускному охрупчиванию. Для таких сталей нахождения в интервале температур отпускной хрупкости стараются избежать или проходить его с высокой скоростью.

steel-guide.ru