Каленый металл: технологии получения

Необходимость закалки металла

Для того чтобы получить каленый металл, существует методика, которая в общих чертах включает ряд последовательных операций. На первом этапе следует тщательно очистить поверхность заготовок, удалив пятна ржавчины, масло и грязь. Далее металл необходимо нагреть до требуемой температуры. Заканчивается процесс охлаждением и отпуском.

При соблюдении нужных параметров закалка изменяет структуру материала, улучшая его эксплуатационные характеристики, что позволяет увеличить прибыльность производства за счет снижения себестоимости продукции.

Металл подвергают закаливанию с целью:

• увеличения твердости внешних слоев заготовки;
• повышения прочности материала;
• снижения пластичности до требуемых значений, что повышает стойкость металла к изгибающим нагрузкам;
• облегчения готовых изделий за счет дополнительной прочности и твердости.

Как правило, закалке подлежат детали из углеродистой и легированной стали, однако в отдельных случаях могут закаливаться заготовки из меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, титановые изделия.

Работа с цветными сплавами имеет специфику, так как после закаливания они могут не стать более прочными, но приобрести большую пластичность. В таких случаях металл отпускают в специальном режиме. После этой процедуры снимается напряжение, оставшееся после отливки, волочения, прокатки и других видов пластического деформирования.

Виды закалки, используемые технологии и охлаждающие среды

Существует несколько видов закалки, позволяющей улучшить характеристики металла:

1. Первый включает полиморфное вращение. Эта технология разработана для железных сплавов. Чтобы привести к нормальным показателям пластичность, вязкость и хрупкость, металл подвергают отпуску, после которого слегка снижаются прочностные показатели.
2. Второй не предусматривает полиморфного вращения и предназначен для цветных металлов и их сплавов. Чтобы привести свойства материала к требуемым показателям, его подвергают так называемому старению.

При закалке могут использоваться различные режимы и среды для охлаждения. Для каждого случая существуют отдельные технологии. Разберемся с тем, как сделать металл каленым посредством каждой из них:

• Закаливание с применением одного охладителя, в ходе которого нагретые заготовки погружаются в жидкий охладитель до полного остывания.
• Изотермическое закаливание подразумевает выдерживание изделий в охладителе до наступления аустенитного превращения в структуре металла.
• Прерывистое закаливание проводится с использованием двух охладителей. На первом этапе заготовки проходят быстрое охлаждение в воде. Далее они медленно остывают во втором охладителе, которым чаще всего служит масло. Этот метод закалки используется для улучшения характеристик углеродистой стали.
• Ступенчатое закаливание проводится в охладителе, температура которого превышает точку мартенситного превращения. В ходе охлаждения температура металла и среды выравнивается по всему объему заготовки. Далее детали постепенно охлаждают окончательно.
• Струйчатое закаливание производится при помощи струи воды. Такой метод позволяет улучшать характеристики отдельных частей изделия и обеспечивает более высокое прокаливание.
• Закаливание с самоотпуском. Если уменьшить время воздействия охладителя на заготовку, в толще металла сохраняется относительно высокая температура, которая, постепенно снижаясь и выходя наружу, снимает напряжение с металла, отпуская его. Такой метод требует от специалиста определенного навыка, так как требуется безошибочно определить момент, когда изделие нужно извлечь из ванны с охладителем.

Широко распространены технологии закалки с применением в качестве среды охлаждения воды, соляных и щелочных растворов, расплава свинца и различных технических масел.

Одним из самых востребованных является закаливание в растворах NaCl или едкого натра.

Особенности закалки металла

Важно учитывать, что скорость закаливания напрямую сказывается на его экономической эффективности, ведь от того, как быстро идет процесс, зависит расход энергии. Однако при слишком быстром нагреве заготовок увеличивается риск появления трещин и деформаций, вызванных резким перепадом температуры между внешними и глубокими слоями металла.

Поэтому очень важно постепенное и равномерное нагревание деталей. Ход процесса обязательно должны контролировать опытные специалисты, ориентируясь на специальные таблицы и значения, полученные опытным путем.

Не менее важным моментом является прямое влияние скорости охлаждения металла на структурные и химические преобразования в ходе термической обработки. Так, при быстром охлаждении с помощью воды комнатной температуры происходит мартенситное превращение в структуре углеродистой стали, а использование в качестве охлаждающей среды горячего масла или других горячих жидкостей ведет к образованию трооститов.

К примеру, для тонкостенных изделий и деталей, выполненных из углеродистой или легированной стали, в качестве охладителя используют минеральные масла, температура которых должна быть постоянной вне зависимости от окружающих условий. Охлаждающая среда при этом не должна содержать воды.

Углеродистую сталь сложного химического состава охлаждают поэтапно и с быстрой сменой охладителя. На первом этапе заготовки остывают в воде, а далее их погружают в техническое масло.

Для изделий и заготовок сложной геометрии применяют 50%-ный охлаждающий раствор едкого натра, нагретый до +60 °С. Для такой закалки характерно осветление поверхностных слоев металла.

Простые металлические изделия, как правило, закаливают, охлаждая их в простой воде без соли и других примесей при температуре около +30 °С.

Для визуального определения температуры металла при его закаливании используют таблицу цветов побежалости:

Рассмотрим возможные изъяны, которые характерны для закаливаемых изделий. Такого рода дефекты могут быть исправимыми и неисправимыми. Первая разновидность, как правило, связана с неравномерностью закалки или с несоответствием полученной твердости металла требуемым значениям. Формирование таких изъянов обычно связано с нарушениями режима термической обработки и/или охлаждения заготовок.

Ко второй категории, помимо полного разрушения изделия, относится появление сколов и растрескивание. Причиной таких проблем чаще всего становится низкое качество металла.

Температурный режим при закалке металла

Нормативные значения температуры при закаливании металлических деталей находятся в прямой зависимости от углеродистости стали и процентного содержания легирующих компонентов. Как правило, эту зависимость можно определить так: понижение содержания углерода требует повышения температуры закаливания.

Недостаточный нагрев изделий не обеспечивает формирования нужной структуры, а избыточный ведет к разуглероживанию, окислению верхних слоев, деформациям и образованию зон внутренней напряженности.

Сложная геометрия изделий требует их предварительного подогрева, для чего заготовки несколько раз погружают в ванну с соляным раствором или недолго выдерживают в печи при температуре в диапазоне от +400 до +500 °С. Время, требуемое на прогрев, зависит от размеров деталей и их количества в загрузке. Важно следить, чтобы произошло полное и равномерное нагревание.

Технологии отпуска каленого металла

Закаливание металла ведет к повышению хрупкости и формированию зон внутреннего напряжения, что может привести к разрушению стали под действием ударных нагрузок или иных повреждающих воздействиях. Для того чтобы снять напряжение и повысить пластичность материала, разработаны технологии отпуска.

Отпуск завершает процесс закалки и представляет собой нагрев заготовок до определенной температуры и их постепенное охлаждение, которое происходит на воздухе при комнатной температуре либо в специальных средах. Для отпуска используют ванны с маслом или расплавленным металлом.

Изменения, происходящие в структуре металла, и фазовые переходы находятся в прямой зависимости от температуры. С ее повышением происходит постепенное снижение твердости и хрупкости, сопровождаемое увеличением вязкости и пластичности. Различают три режима нагрева при отпуске закаленной стали, которые отличаются предельной температурой:

1. При низком отпуске максимальная температура равна +300 °С. Такой метод позволяет получить особо твердую сталь. Отпуск сопровождается постепенным снятием внутреннего напряжения и повышением вязкости.
2. Для среднего отпуска изделия нагревают до +450 °C. Такая технология применяется для производства прочной стали с повышенной упругостью. Этот метод позволяет сохранить неизменными показатели вязкости. Детали охлаждаются на открытом воздухе. Такой отпуск применяют для рессорной и пружинной стали.
3. Высокий отпуск, который позволяет повысить пластичность каленого металла, производят при температуре +450...+650 °С. Обработка уменьшает внутреннее напряжение на 95 %.

Технологии старения металла

Обработка каленого металла, которую принято называть старением, производится для повышения показателей твердости стали и делится на три основных способа:

1. Естественное старение представляет собой выдерживание изделий на открытом воздухе. Процесс сопровождается самопроизвольным увеличением прочности стали и снижением ее пластичности.
2. Для термического старения заготовки подвергают воздействию высокой температуры. Такой метод несет в себе риск так называемого перестаривания, когда после достижения максимальных значений может начаться процесс постепенного понижения твердости, плотности и текучести материала.
3. При деформационном старении каленый металл, имеющий структуру твердого раствора, подвергают пластическому деформированию.

Специфика закалки цветных металлов

Для каждого цветного металла или его сплава процесс закаливания имеет свою специфику.

Здесь мы не станем рассматривать термообработку всех цветных металлов, ограничившись примером стальных и медных сплавов:

Алюминий

Изделия из этого металла и сплавов на его основе нечасто подвергают закалке из-за того, что они уже прошли термообработку в ходе литья и обработку с использованием холодного или горячего пластического деформирования, что повысило твердость и прочность материала.

Закаливание в домашней мастерской может понадобиться, например, для сварных деталей из алюминиевого сплава, у которых при сварке произошло снижение жесткости материала в прилегающих к швам областях. Самостоятельная закалка связана с целым рядом проблем.

Данный вид термообработки следует производить в специальной печи для закаливания с точной регулировкой температуры. Для индивидуального подбора правильных параметров, скорее всего, придется закаливать каждую деталь по отдельности.

Медь

Параметры термообработки медных сплавов коренным образом отличаются от тех, что допустимы для стальных заготовок. При быстром охлаждении в водной среде детали из меди, предварительно разогретой докрасна (около +600 °С), металл отпускается, что ведет к его размягчению.

Самостоятельная закалка медных сплавов без отпуска возможна, но достаточно сложна, так как при нагревании нельзя допустить красного каления, то есть температура не должна быть больше +400 °С. После охлаждения на открытом воздухе сплав приобретет твердость, сравнимую с получаемой при нагартовке. Помимо специальной печи, если вы собираетесь производить закаливание в условиях домашней мастерской, следует обзавестись пирометром, который позволит контролировать температурный режим.

Закаливание металлических заготовок требует тщательного соблюдения целого ряда параметров, ведь неправильно подобранный режим термической обработки может привести как к размягчению поверхностных слоев металла, так и к избыточной хрупкости. Нужно разобраться в методах закаливания, чтобы избежать возможных ошибок и получить хороший результат.