Способы закалки металлов и стали

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные

характеристики

металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала, либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Важно понимать:

  • После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
  • После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
  • Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
  • Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

  • полная;
  • неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки.

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

  • вода;
  • раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
  • минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина. Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

  • сталь почти не поддается короблению;
  • не появляются трещины;
  • вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и

производится последующий отпуск

. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

Р исунок №3 — Т аблица побежалости.

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

  • изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
  • если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Дефекты при закаливании стали

  1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
  2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
  3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
  4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
  5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.

  • Автор: Николай Иванович Матвеев
  • Распечатать

Оцените статью:

(3 голоса, среднее: 5 из 5)

Для придания металлам определённых качеств, например, прочности, их подвергают специальной термической обработке, которая называется закалка. Во время этого процесса металл подвергают нагреву при очень высоких температурах, при этом доводят сталь до критической точки, а затем быстро охлаждают. Для быстрого охлаждения стали могут применяться в качестве охладителя сжатый воздух, водяной туман, жидкая полимерная закалочная среда.

Это сложный вид обработки металла, так как при этом металл становится не только прочным, но и не таким вязким и эластичным, как до обработки. Чтобы металлическое изделие после закалки получило необходимые качества, применяют различные виды закалки. Каким бы способом ни производилась закаливание, необходимо соблюдать определённые меры безопасности.

  1. Если деталь нужно опустить в масляную ванну, делать это только с помощью щипцов с длинными ручками.
  2. Маски для лица использовать только с закалёнными стёклами.
  3. Перчатки для работы должны иметь огнеупорные свойства.
  4. Для изготовления одежды должна применяться огнеупорная ткань.

Способы закалки стали

Есть несколько видов закалки, выбор которых зависит от того, какой состав имеет металл, какой характер у обрабатываемой детали, насколько необходимо увеличить прочность материала и при каких условиях будет происходить охлаждение. Способы, при которых происходит обработка металла, также можно разделить на несколько подвидов.

Использование одной среды

Способ достаточно прост, но он подходит не для каждой марки стали и не для всех деталей. В данном случае используется быстрое охлаждение с большим интервалом температур. В процессе обработки возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение в материале, что может привести к деформации изделия и даже к его разрушению. Материал, который имеет большое содержание углерода в своём составе, не подходит для такой обработки.

Закалка металла в несколько ступеней

При этом методе сталь после нагрева до нужной температуры погружают в соляную ванну. Это помогает выровнять ее температуру. После этого деталь охлаждают до обычной температуры с использованием масла или воздуха. При этом способе снимается внутреннее напряжение и повышаются механические качества изделия. Такой способ подходит для обработки небольших деталей.

Изотермическая

Такой вид обработки производится почти так же, как и ступенчатая закалка, но при этом изделие выдерживают в соляной ванне более длительное время. При применении изотермической закалки на качества детали скорость охлаждения не влияет. Преимущества такого вида закаливания в том, что сталь практически не коробится и полностью отсутствуют трещины. Металл становится более вязким.

Светлая

Для этой процедуры используют специальные печи, которые имеют защитную среду. Перед тем как заложить инструмент в такую печь, его подвергают нагреву в соляной ванне, которая содержит хлористый натрий, а затем охлаждают в ванне, содержащей смесь едкого калия и едкого натрия с небольшим добавлением воды.

Закаливание с самоотпуском

Такой способ подходит для инструментального производства. Суть такого метода в том, что нагретые детали извлекают из среды для охлаждения до того, как они полностью остынут. Таким образом удаётся сохранить немного тепла в сердцевине детали. Именно это тепло даёт возможность производить отпуск изделия. Только когда он произведён, изделие полностью охлаждают при помощи специальной жидкости. Такая термическая обработка применяется для стали, которая идёт на изготовление инструментов, требующих высокой прочности при эксплуатации.

Способы, применяемые для охлаждения

При быстром охлаждении закалённая сталь приобретает внутреннее напряжение, которое со временем приводит к тому, что детали, изготовленные из нее, начинают коробиться, и в них могут появиться трещины. Эти отрицательные качества сталь может получить, если её охлаждать в воде. Лучше для охлаждения использовать масло. Однако для некоторых деталей, при изготовлении которых применялась углеродистая сталь, использование масла не подходит, так как процесс охлаждения недостаточно быстр. В этом случае лучше использовать закаливание в двух средах, с самоотпуском или иной способ.

От того, каким способом деталь погружают в среду для закаливания, зависит внутреннее напряжение в металле. Основные правила, которых необходимо придерживаться при охлаждении, следующие:

  • если по своей конфигурации деталь имеет тонкую и толстую части, то тогда охлаждают сначала толстую часть;
  • чтобы детали длинной и вытянутой формы не покоробились, опускать их в закалочную среду необходимо вертикально;
  • если нужно закалить только часть изделия, применяется местная закалка, но в среду для охлаждения погружают всю деталь.

Дефекты, возникающие при закалке металла

Если во время термообработки стали были нарушены технологические нормы, изделия могу иметь недостаточную твёрдость. Это происходит при недостаточно высокой температуре при нагреве и малой выдержке, а также если скорость охлаждения была недостаточной. Это можно исправить отжигом и повторной закалкой или применить более энергичную закалочную среду.

Иногда закалённая сталь получается с крупнозернистой структурой, что влечёт за собой повышенную хрупкость. Это является следствием перегрева изделия. Необходимо произвести отжиг и провести новую закалку при необходимой температуре. Если хрупкость появилась после пережога, исправить такой дефект невозможно.

Если после закалки деталь покоробило и появились трещины, значит, металл имеет высокое внутреннее напряжение. Такие дефекты появляются из-за неравномерного изменения объёма закаливаемой детали, если она имеет неодинаковые размеры и при этом нарушается режим охлаждения. Трещины исправить невозможно, а коробление можно устранить правкой или рихтовкой. Иногда на обрабатываемом изделии после закалки появляется окалина. Исправить такой брак невозможно. Этого можно избежать, если нагревать детали в печах, которые имеют защитную атмосферу.

Термическая обработка стали производится для улучшения ее характеристик (твердости, прочности, износостойкости). Основные требования к качеству преимущественно предъявляются к наружному слою изделий, который в наибольшей степени подвергается действию внешних нагрузок.

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка деталей делается для достижения лучших характеристик наружного слоя, а в сердцевине металл остается вязким и пластичным. Таким образом удается изменить физико-механические свойства металла.

Чтобы уменьшить хрупкость и остаточные напряжения, металл затем подвергают отпуску, после чего его твердость несколько снижается, а свойства становятся более стабильными.

Температура закалки поверхности стали составляет 820-900 0С. Ее можно различать по цвету.

Для получения необходимой глубины термической обработки после быстрого разогрева поверхность детали охлаждают воздухом или водой.

Газопламенная закалка

Температурные режимы, связанные с нагревом и охлаждением, могут быть непрерывными или цикличными. Поверхностная закалка выполняется четырьмя способами.

  1. Нагрев с охлаждением участка детали: закалка зубьев колес, концов рельсов, клапанов и др.
  2. Закалка небольших вращающихся тел с малой шириной обрабатываемого участка: цапфы осей и валов.
  3. Непрерывно-последовательный способ: перемещение по поверхности пламени, а за ним — охладителя. Производится последовательный нагрев и охлаждение водяными струями узких участков. Аналогично закаливаются поверхности деталей большого диаметра с медленным их вращением относительно неподвижных горелок и форсунок. На краях полос остаются зоны отпуска при вторичном нагреве от соседних участков.
  4. Комбинированный способ: перемещение вдоль образующей струй пламени, а за ними — охлаждающей среды при вращении цилиндрической детали. Технология применяется для закалки длинномерных изделий. Способ обеспечивает получение однородного твердого слоя на поверхности детали.

Технология газопламенной закалки

Поверхностная закалка производится на станках, где процессы перемещения нагревательно-охлаждающих приспособлений и деталей механизированы. Процесс широко применяется в промышленности. Для него требуются простые устройства. В качестве источника энергии применяется смесь ацетилена с кислородом, природный газ или керосин. Иногда газопламенный нагрев применять более выгодно, чем ТВЧ. Особенно это относится к крупногабаритным изделиям, для которых сложно изготовить индукторы. Способ часто применяют в мелкосерийном производстве, когда к качеству деталей не предъявляются высокие требования. Закалочные горелки инжекторного типа содержат сменные наконечники для регулирования мощности пламени. Мундштуки выполняются в соответствии с профилем обрабатываемых деталей. Их делают с большим количеством сопел или щелевыми. Разбрызгиватели струйного типа подают воду на охлаждение.

Механизмы для перемещений инструментов и деталей применяются специализированные или универсальные. Предприятия часто самостоятельно их изготавливают на базе металлоообрабатывающих станков.

Закалка металлов зависит от состава, а также от размеров и формы изделий.

Параметры процесса

Регулируемые параметры следующие.

  1. Мощность нагрева. Она зависит от расхода ацетилена и скорости перемещения пламени относительно изделия.
  2. Расстояние от центра факела до нагреваемой поверхности поддерживается на уровне от 2 до 3 мм.
  3. Продолжительность нагрева или скорость перемещения нагревателя. От этих характеристик, которые подбираются экспериментально, зависит глубина закалки и твердость поверхности.
  4. В качестве охладителя большей частью применяется вода с температурой 18-350С, а расход составляет около 1 л/см2.
  5. Время между нагревом и охлаждением (5-10 сек) или расстояние между зонами нагрева с охлаждением (12-25 мм).

Технология закалки стали включает процессы нагрева металла, выдержку для выравнивания температуры с прохождением необходимых структурных превращений и охлаждение с заданной скоростью. Отличительной особенностью поверхностной закалки является быстрый нагрев.

Подготовка деталей перед закалкой заключается в сглаживании острых углов и очистке разными способами: пескоструйная, химическая, щетками вручную.

Поверхностная закалка при правильном режиме обеспечивает повышение стойкости деталей в 2-5 раз. Выбор режимов охлаждения позволяет плавно увеличивать твердость закаленного слоя до 700 HB. Процесс должен проходить быстро. На конечном этапе, когда температура составляет 200-3000С, скорость охлаждения замедляется. В результате уменьшается образование трещин и изделия не коробятся.

При перегреве легированных сталей твердость может уменьшиться, что рассматривается как брак. Здесь также отсутствует возможность точной регулировки толщины закаленного слоя. Кроме того, при работе с газом требуются дополнительные меры по обеспечению безопасных условий труда.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Высокочастотный нагрев является одним из наиболее эффективных способов упрочнения поверхности. Применение ТВЧ до 10 тыс. кГц существенно сокращает время термической обработки. Через водоохлаждаемый медный индуктор пропускается высокочастотный ток. Образующееся электромагнитное поле проникает в деталь из стали, образуя в ней вихревые токи, тем самым вызывая нагрев. Основная энергия сосредотачивается в поверхностных слоях. Глубина прогрева зависит от магнитной проницаемости стали, электросопротивления и частоты тока. Регулируя эти параметры, можно изменять величину закаленного слоя.

Достоинства индукционного метода

  • высокая производительность и экономичность нагрева, когда необходимо нагревать только отдельные участки деталей;
  • поверхность детали незначительно окисляется, отсутствует обезуглероживание;
  • изделия мало коробятся, меньше образуется трещин;
  • точно регулируется глубина закалки;
  • возможность автоматизации процесса.

К недостаткам метода закалки ТВЧ относится высокая стоимость и сложность изготовления индукционных устройств.

Медные индукторы изготавливаются с душирующими устройствами или без них.

Существуют следующие виды поверхностной закалки.

  1. Одновременный. После нагрева деталь охлаждается водой. Закаливаемая деталь нагревается внутри индуктора. Через заданное время электрический ток отключается и через отверстия нагревателя сильными струями подается вода на охлаждение изделия. Для закалки зубчатых колес применяются кольцевые индукторы, а для плоских деталей — петлевые или зигзагообразные.
  2. Непрерывно-последовательный. Вдоль неподвижной детали перемещается нагревающий индуктор, а за ним — душирующее устройство.

Нагрев ТВЧ позволяет создавать автоматизированные агрегаты в потоке цехов механической обработки. За счет этого нет необходимости в транспортировке деталей в термические цеха.

Другие способы поверхностной закалки стали

  1. Закалка в электролите. Если через водный раствор электролита пропускать электрический ток, где катодом является деталь, которая быстро нагревается. Способ удобен, поскольку после отключения электроэнергии деталь тут же закаливается. Ванна с электролитом одновременно выполняет функции нагревательной печи и закалочной емкости.
  2. Лазерная закалка. Излучение лазера разогревает поверхность металла до высокой температуры. Толщина упрочнения составляет менее 1 мм. Износостойкость деталей из чугуна возрастает в несколько раз, а предел выносливости стали — до 80 %. Способ часто применяется для упрочнения режущих кромок инструмента.

Отпуск после закалки

Закалка и отпуск — это 2 процесса, дополняющих друг друга и обеспечивающих получение качественных деталей. Назначение отпуска — заключительная операция после закалки, формирующая окончательные, более устойчивые свойства металла, обеспечивающая снятие внутренних напряжений. Изделие из стали определенной марки нагревают и выдерживают при соответствующей температуре, после чего охлаждают на воздухе.

  1. Низкий отпуск при 120-2500С — обработка инструмента и др. деталей. Металл имеет стабильную структуру, высокую износостойкость и твердость.
  2. Средний отпуск при 350-5000С — для штампов, пружин, рессор. Структура имеет хорошую пластичность, высокую упругость.
  3. Высокий отпуск при 500-6800С — среднеуглеродистые конструкционные стали. Обеспечивает высокую прочность, вязкость, пластичность.

Заключение

Закалка и отпуск металла требуют строгого выполнения технологии, которая подбирается для каждой марки стали. При правильном подходе закалка металлов может производиться в домашних условиях.

Термообработка металлов – это один из основных способов улучшения их механических и физико-химических характеристик: твердости, прочности и других.

Одним из видов термообработки является закалка. Она успешно применялась человеком кустарным способом еще с давних времен. В Средневековье этот способ термической обработки использовали, чтобы улучшить прочность и твердость металлических предметов быта: топоров, серпов, пил, ножей, а также боевого оружия в виде копий, сабель и других.

И сейчас используют такой способ улучшения характеристик металла, не только в промышленных масштабах, но и в домашних условиях, в основном для закалки металлических предметов быта.

Что такое закалка металлов и ее виды

Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.

Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.

Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.

После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.

Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.

При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.

Особенности закалки стали

Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.

Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.

Виды закаливания сталей

В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.

Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.

Видео:

Охлаждающая среда

Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.

Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.

Важно: При выборе среды, в которой проводят охлаждение металла после нагрева, следует учитывать, что в воде охлаждение проходит быстрее, чем в масле! Например, вода температурой 18°C способна охладить сплав на 600°C за секунду, а масло всего на 150°C.

Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).

Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.

Важно: Слишком быстрое охлаждение металла приводит к его излишней хрупкости! Это следует учитывать при самостоятельной закалке.

Различают следующие способы охлаждения:

  • С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
  • Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
  • Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
  • Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.

Температурный режим

Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.

Важно: Нагрев металла выше точки рекристаллизации приводит к крупнозернистому строению, ухудшающему его свойства: излишней хрупкости, приводящей к растрескиванию!

Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.

Как закалить металл в домашних условиях

Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.

Закалка топора на костре и в печи

Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.

На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.

Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:

1. Отжиг. Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.

А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.

Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.

2. Закалка стали. Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).

Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.

Далее топор поместить в емкость с маслом, в случае возгорания масла нужно накрыть емкость плотной тканью. Выдерживать в масле нужно до полного остывания.

3. Отпуск лезвия топора. Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.

Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.

Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.

Закаливание ножа

Самостоятельно для закалки металлов целесообразно использовать печи. Для предметов быта в виде ножей, топоров, сверл и других, наиболее подходящими являются муфельные печи небольшого размера. В них можно достичь температуры закалки намного выше, чем на костре и проще добиться равномерного прогрева металла.

Такую печь можно изготовить самостоятельно. В интернете можно найти множество простых вариантов ее конструкции. В таких печах можно разогреть металлическое изделие до 700-900°C.

Рассмотрим, как закалить нож из нержавейки в домашних условиях, используя муфельную электропечь. Для охлаждения вместо воды или масла используется расплавленный сургуч (можно достать в воинской части).

Последовательность процесса закалки следующая:

  • нож (без ручки, если она деревянная) кладут в холодную печь;
  • включив закрытую печь, нагревают ее вместе с ножом до получения ярко-красного цвета лезвия (800-900°C);
  • раскаленным лезвием ножа режут сургуч до 10 раз, погружаясь в него на 1,5 см;
  • процедуру повторяют до 5 раз, нагревая лезвие ножа и остужая в сургуче;
  • остатки сургуча снимают скипидаром с помощью смоченной ткани.

Процедуру лучше делать на свежем воздухе, сургуч при плавке пахнет ужасно. Также, лезвие ножа можно греть на открытом огне.

Видео: другие способы закалки ножа в домашних условиях.

P.S. Зная поведение металла при нагревании и его свойства после термической обработки, а также технологию проведения закалки, можно с успехом проводить ее в домашних условиях для улучшения характеристик металлических изделий небольших размеров.

Знание об изменениях металла под воздействием высоких температур легло в основу кузнечного дела. Сейчас научно установлено, что закалка металла путем нагревания и последующего охлаждения улучшает рабочие качества изделий, увеличивает прочность и срок службы. При этом уменьшается их вес и себестоимость: качественную вещь можно создать из недорогого сплава.

Виды закаливания стали

Суть стальной закалки – в нагревании металла до нужных температур и дальнейшем охлаждении. Металл в результате термообработки становится твердым и прочным, и при этом менее пластичным.

Есть разные виды закалки стали и дальнейшего отпуска. Выбранный режим зависит от состава металла, требующейся прочности и правил охлаждения. Наиболее часто используемые типы закаливания:

Виды термической обработки стали

  • в одной среде;
  • ступенчатое;
  • изотермическое;
  • светлое;
  • с самоотпуском.

Суть первого из них состоит в том, что стальную деталь погружают в жидкость и оставляют до окончательного охлаждения. При ступенчатой закалке изделие помещают сначала в соляную среду, а потом в масло, либо остужают на воздухе. Изотермическая закалка стали проходит аналогично ступенчатой. Но процесс нагрева длится дольше. Два последних способа гарантируют, что металл не покоробится и не потрескается.

Светлая закалка ведется в специально оснащенных печах с защитной средой для достижения чистой и ясной поверхности. Суть закалки с самоотпуском в том, что детали не держат до полного охлаждения. Их вынимают из охлаждающей жидкости раньше стандартного времени. Отпуск проходит за счет тепла, оставшегося в центре слоя металла. После этого предмет окончательно охлаждают в жидкости для закалки.

Иногда деталям из металла требуется лишь поверхностная закалка. Ее проводят плазменным, лазерным методом, токами высокой частоты и другими менее популярными способами.

Температурные режимы при закалке металла

Качественная термообработка металлов требует соблюдения правильных режимов температур. Зависят они от состава стального сплава. Существуют цветовые таблицы, подсказывающие, как правильно нагревать или охлаждать стальную деталь в зависимости от марки. Большинство сталей достигают нужных характеристик при равномерном прогреве до 780–850 °C и быстром охлаждении до температуры 300–450 °C. После этого идет медленное охлаждение до нормальной температуры.

Как определить температуру отпуска (побежалости) металла на глаз

Нагревание металла свыше уровня рекристаллизации сделает изделие хрупким. Металл потрескается за счет изменения структуры до крупной зернистости.

Иногда для снятия напряжения после нагрева охлаждение проводят постепенно. Такой способ термообработки металлов не только сохранит его лучшие качества, но и увеличит твердость.

Выбор среды для охлаждения

Закаливание сталей регламентирует и правила охлаждения изделия из металла. Так, излишняя скорость охлаждения может привести к серьезному внутреннему напряжению металла и последующему растрескиванию, короблению. Во избежание подобных проблем раскаленный предмет опускают в масляную среду. Но охлаждение углеродистых сталей возможно лишь в воде. Иногда проводят двойное охлаждение – в масле и воде либо ступенчатым способом. Снизить температуру водой можно, опустив в нее деталь, или струйным способом.

На качество закалки металла влияет не только среда, но и способ погружения:

Тип изделия Способ погружения
Цельнометаллические Одномоментный
Имеющие утолщения и тонкие части Двухфазный: вначале опускают толстую часть, потом – тонкую
Вытянутой формы Вертикальный

Если не соблюдать эти условия, предметы из металла могут покоробиться.

Если нужно закалить только часть изделия, используется местная закалка стали. Деталь раскаляют не полностью, а только нужный отдел. Но в среду для охлаждения ее помещают целиком.

Немаловажным фактором является и скорость охлаждения. Она должна быть не менее 150 °C за секунду. За три секунды раскаленный металл обязан охладиться в среднем до 300 °C. Так его структура не разрушится. Далее процесс охлаждения может идти с любой скоростью. Чересчур быстрое охлаждение металла также неприемлемо – он станет излишне хрупким.

Предупреждение обезуглероживания и появления окалины

Закалка большинства изделий из металла проводится после окончательной обработки. Образование окалины либо обезуглероживание недопустимо – эти недостатки будет уже не исправить. Чтобы их избежать, применяют особые методы закалки стали. Для этого используются:

Поверхностное насыщение стали защитным газом

  • защитная газовая среда;
  • отработанный карбюризатор и чугунная стружка;
  • раскислители для соляных ванн.

Защитный газ можно нагнетать только в герметичную печь. Стружку и карбюризатор насыпают на поверхность металла, а затем предмет помещают в герметичный контейнер, дно которого покрыто этими же компонентами. Чтобы не просочилась даже малая толика воздуха (это вызовет окисление), контейнер нужно обмазать глиной.

Если нагревание металла идет в соляной среде, ее надо раскислять. Этот процесс должен проходить за смену не реже двух раз. Иначе поверхность металла может быть обезуглерожена либо на ней появится окисел. Чтобы раскислить соляную среду, применяют:

  • бурую соль;
  • борную кислоту;
  • древесный уголь.

Последний компонент нужно опустить в особую емкость с крышкой. В ее стенках сделано большое количество отверстий. Когда стакан с древесным углем аккуратно опускают в соляную среду, ее поверхность воспламеняется. Огонь быстро затухнет, но действовать нужно очень осторожно, чтобы избежать пожара.

Проверяют качество раскисляющего процесса следующим способом:

  1. Нагревают бритвенное лезвие из нержавейки в этой среде на протяжении пяти минут.
  2. Затем его достают и опускают для охлаждения в простую воду.
  3. Холодное лезвие проверяют на ломкость. Если оно переломилось, а не согнулось, раскисление было выполнено правильно.

Применение кальциевого сплава для окончательного раскисления

Закалка металла в домашних условиях

Закаливание сталей, включая нержавеющие, реально провести дома самостоятельно, без использования сложного оборудования. Это делают для придания прочности стальным предметам быта. Для нагрева инструментов применяют электрические и газовые плиты, духовые шкафы, печи, раскаленный песок.

Закалка бытового инструмента

Процесс закалки стали требует внимательного отслеживания, особенно если он проводится в домашних условиях. Нагрев бытового инструмента, кроме ножей, не должен превышать 780 °C. Металл при этом принимает бордовый оттенок.

Можно вычислить допустимую температуру и при помощи магнита. Если металл к нему не «приклеивается», значит, температура достигла 768 °C, можно проводить охлаждение.

Перед закалкой инструмент нужно хорошо очистить от ржавчины и масляных пятен, а острые края, например, у топора, слегка затупить. Дальнейшая последовательность действий с инструментом из металла такова:

Как провести закалку инструментов из стали

  1. Нагреть до темно-красного цвета в несколько подходов.
  2. Опустить в масло для охлаждения.
  3. Направить в духовку, прогретую до 200 °C.

В духовом шкафу потихоньку снижают температуру до 80 °C. Все это займет приблизительно час. Затем инструмент держат на открытом воздухе.

Метод медленного охлаждения не подойдет для хромоникелевых сплавов – изделие станет хрупким. Такие предметы охлаждают в масляной ванне.

Повышение твердости клинка

Недостаточно крепкому клинку ножа можно придать твердость путем закалки в печи или духовке. Перед этим пластиковую либо деревянную ручку требуется снять и поместить лезвие в холодную печь. Затем нужно:

  1. Нагреть печь до 900 °C (клинок станет ярко-алым).
  2. Порезать горячим лезвием сургуч 10 раз.
  3. Сделать 5 циклов нагрева и охлаждения в сургуче.

Таблица температур закалки быстрорежущих инструментальных сталей

Погружать клинок в сургуч нужно на полтора сантиметра в глубину. Смоченным в скипидаре лоскутом снимают остатки охладителя. Если печь стоит не на улице, а в помещении, нужна хорошая вентиляция – при нагревании сургуч издает отвратительный запах. Чтобы избежать этого, процесс можно проделать на свежем воздухе, распалив костер.

Если изучить поведение металла при термообработке, в домашних условиях можно придать твердость и крепость даже не очень качественным стальным инструментам небольших размеров.

Самое важное в процессе закалки стали – полностью соблюдать технологические правила. Любые ошибки и неточности приведут к порче металла. Но если следовать технологии, закалить металл несложно даже в домашних условиях.

Видео по теме: Термообработка, отпуск, отжиг, нормализация, побежалость