Охлаждение при закалке металла: принципы и методы

О чем речь? Охлаждение при закалке – один из важнейших этапов термообработки металлов. Благодаря ему материал получает необходимые качества. Любое нарушение в этом процессе ведет к утрате характеристик, которые придает закалка.

На что обратить внимание? Чтобы не допустить ошибок, важно правильно выбрать среду, температуру и скорость охлаждения. Для разных типов металлов существуют различные способы. Рассмотрим, как происходит процесс охлаждения и что для этого требуется.

Смысл охлаждения при закалке металла

Закалка стали используется чаще остальных подходов к термической обработке металлов. Она позволяет придать изделию необходимый набор свойств, однако ошибки при ее выполнении чреваты повышенной мягкостью и хрупкостью материала. Эти особенности специалисты обозначают как непрокаливание и перекаливание соответственно.

Благодаря подобранному режиму охлаждения при закалке удается сформировать закаленный слой определенной глубины. В идеале самая высокая скорость остывания металла обеспечивается при +727…+200 °C – это необходимо, чтобы избежать распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения. Тогда как медленнее всего температура изделия падает при +200…+100 °C, то есть во время мартенситного превращения, что позволяет снизить остаточные напряжения, избежать растрескивания изделия.

Охлаждение при слишком малой скорости становится причиной частичного отпуска мартенсита и повышения доли остаточного аустенита. Такие процессы негативно сказываются на твердости материала. Функцию среды охлаждения в процессе закалки может выполнять вода определенной температуры, технические масла, растворы солей, щелочей, а также металлы в жидком состоянии.

Определенную охлаждающую среду подбирают, исходя из таких свойств стали, как закаливаемость и прокаливаемость:

• Закаливаемость представляет собой способность металла приобретать высокую твердость в результате закалки. Данное качество зависит от доли углерода – если его меньше 0,2 %, закалить сталь не получится.
• Прокаливаемость – возможность сформировать закаленный слой необходимой глубины с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, которая характеризуется повышенной твердостью.

Благодаря добавлению в металл легирующих веществ, таких как молибден и бор, удается повысить закаливаемость и прокаливаемость. Кобальт оказывает обратное действие.

Принципы охлаждения при закалке

В качестве основного компонента подавляющего числа жидкостей для охлаждения после закалки используется вода. Подойдет только та, в которой отсутствуют примеси солей и моющих средств, поскольку они способны сильно сказаться на темпах протекания процесса. Если емкость с жидкостью используется для закалки, не стоит задействовать ее для других нужд. Для охлаждения при закалке не годится проточная вода. Наиболее подходящей считается температура жидкости +30 °C.

У охлаждения стали во время закалки при помощи воды есть несколько важных минусов. Основной проблемой является растрескивание и коробление изделий после остывания. Поэтому обычно этот подход применяют при цементировании металла, поверхностной закалке. Также он подходит для работы с заготовками простой формы, ведь они подлежат заключительной обработке.

Если речь идет об изделиях сложной конфигурации, состоящих из конструкционных типов стали, в качестве охлаждающей среды используют 50%-ный раствор каустической соды, доведенный до +60 °C. В результате охлаждения в нем закаленная сталь становится светлого оттенка.

Для охлаждения при закалке тонкостенных элементов, выполненных из углеродистых типов стали, и предметов из сплавов с легирующими добавками оптимальным методом считается применение минеральных масел. С их помощью создается постоянная (изотермическая) температура, которая не меняется под действием окружающих факторов. В процессе работы с маслами важно защитить их от смешения с водой, поскольку это чревато растрескиванием изделий во время остывания. Если вода попала в масло, от нее можно избавиться нагреванием до температуры выше +100 °C.

У масла как охлаждающей жидкости также немало значительных минусов. В результате его контакта с раскаленным металлом образуются вредные пары, присутствует риск возгорания охлаждающего состава. После масла деталь покрывается налетом, а сама жидкость постепенно утрачивает эффективность.

В процессе охлаждения при закалке металлов в масляной среде важно помнить про данные факторы и снижать их воздействие при помощи следующих приемов:

1. детали погружают в ванну щипцами с длинными ручками;
2. все работы мастер осуществляет в маске из закаленного стекла и перчатках из толстой ткани с огнеупорными свойствами, также могут использоваться рукавицы из грубой кожи;
3. обязательно защищают плечи, шею, грудь рабочей одеждой из толстой огнеупорной ткани.

Температуру стали некоторых марок снижают потоками воздуха, создаваемыми компрессором. В таком случае воздух должен быть абсолютно сухим, поскольку присутствие влаги приводит к растрескиванию материала изделия.

Охлаждающие среды для закалки

Задача охлаждения при закалке состоит в том, чтобы добиться необходимой степени прокаливаемости, то есть создать структуру мартенсита с учетом сечения конкретного изделия. Процесс не должен сопровождаться деформированием, короблением, появлением трещин и высоких растягивающих остаточных напряжений в верхних слоях металла.

Сталь должна остывать быстро, при скорости выше критической скорости закалки, которая находится в температурном промежутке A1 – Мн. При данных показателях останавливается распад переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений, тогда как при температурах мартенситного превращения Мн – Мк требуется постепенное снижение температуры. Здесь высокая скорость остывания вызывает резкий рост остаточных напряжений, чревата растрескиванием детали.

Однако недостаточно быстрое снижение нагрева при тех же температурах приводит к частичному отпуску мартенсита и повышению доли остаточного аустенита на фоне его стабилизации. А это негативно сказывается на твердости металла.

В большинстве случаев закалку проводят при помощи кипящих жидкостей, то есть воды, водных растворов солей и щелочей, масел. Процесс включает в себя следующие периоды:

1. Пленочное кипение – на металлической детали появляется паровая рубашка, охлаждение при закалке протекает относительно медленно.
2. Пузырьковое кипение – происходит после полного разрушения ранее сформировавшейся пленки и наблюдается при снижении температуры поверхности ниже критического уровня. Данный этап характеризуется быстрым отводом тепла.
3. Конвективный теплообмен – протекает при показателях ниже температуры, необходимой для закипания охлаждающей жидкости. Скорость теплоотвода в это время является минимальной.

Поскольку углеродистая сталь и некоторые низколегированные ее типы характеризуются низкой устойчивостью переохлажденного аустенита, при их закалке охлаждение выполняют с помощью воды и водных растворов NaCl или NaOH. Проблема использования воды состоит в том, что она вызывает очень быстрое остывание при температуре мартенситного превращения. Это часто становится причиной появления дефектов. Кроме того, с повышением температуры резко падает закалочная способность.

Работа с водными растворами предполагает практически моментальное разрушение паровой рубашки, поэтому охлаждение протекает более равномерно и преимущественно на этапе пузырькового кипения. Можно добиться повышения охлаждающей способности, если прибегнуть к струйному или душевому остыванию – им активно пользуются при поверхностной закалке.

Еще более совершенный вид охлаждения после закалки – использование смеси воды с воздухом, которая поступает к металлу через форсунки. Такие среды позволяют остужать крупные поковки, рельсы и пр.

Легированные типы стали с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита подвергают охлаждению при закалке минеральным маслом, обычно нефтяного происхождения. Достоинством данного способа является медленное охлаждение в мартенситном интервале температуры. Таким образом снижается риск закалочных дефектов, обеспечивается постоянная закаливающая способность при +20…+150 °C.

Среди минусов использования минерального масла стоит назвать повышенную воспламеняемость при +165…+300 °С, недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность при температуре перлитного превращения. Кроме того, данный способ дороже многих других. В процессе закалки масло должно оставаться нагретым до +60   +90 °C, ведь при этих показателях у него минимальная вязкость.

В последние годы вода и масло уступают место в сфере охлаждения при закалке водным растворам моющих средств с поверхностно-активными веществами в составе. Также активно начинают применяться жидкий силикат, синтетические вещества, например, аква-пласт. Аква-пластом называется концентрат высоковязкой прозрачной жидкости, состоящей из растворимой в воде пластмассы и ингибитора, призванного защитить металл от коррозии. Для охлаждения используется раствор 0,5–0,7 %.

Использование водных растворов полимеров и моющих средств позволяет уменьшить скорость охлаждения стали при температурах ниже Мн. Это дает возможность избежать появления трещин, снизить степень коробления.

Разные закалочные среды имеют следующую относительную охлаждающую способность:

Способы охлаждения при закалке

Выбор метода охлаждения после нагрева при закалке определяется в соответствии с формой изделия, маркой стали и набором свойств, который требуется получить в итоге:

Работа с единственным охладителем (V1)

Горячую деталь переносят в охладитель, где и протекает весь процесс остывания. В данном случае могут применяться:

• Вода. Используется для крупных предметов, изготовленных из углеродистых сталей.
• Масло. Подходит для небольших деталей простой конфигурации из углеродистых типов стали, а также для изделий из стали с легирующими добавками.

Значительным минусом данной закалки считаются высокие закалочные напряжения.

Использование двух сред/прерывистая закалка (V2)

Изделие сначала попадает в более резкий охладитель, то есть в воду, где его температура снижается примерно до +300 °C. После этого его погружают в масло как в охлаждающую среду с более мягкими свойствами.

Благодаря данному подходу достигаются условия, приближенные к оптимальному режиму остужения металла. Обычно метод используют для охлаждения при закалке инструментов. Правда, определение момента, когда пора перейти ко второму этапу охлаждения, является непростой задачей.

Ступенчатая (V3)

Изделие помещают в охлаждающую среду, нагретую до +230…+250 °C – с этой целью используются расплавленные соли или металлы. В них температура предмета должна выровняться по всему сечению. Изотермическая выдержка длится не больше, чем период устойчивости аустенита при заданной температуре. Далее металл постепенно охлаждают.

Данный метод подходит для закалки предметов малого и среднего размера.

• Изотермическая (V4)

Главное отличие от предыдущего подхода – время выдержки при более чем +200 °C в области промежуточного превращения. При помощи изотермической выдержки достигается полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. Промежуточное превращение легированных типов стали сопровождается тем, что, помимо бейнита, сохраняется остаточный аустенит. Получившаяся структура сочетает в себе такие качества, как высокая прочность, пластичность, вязкость.

Кроме того, удается снизить деформацию, сопряженную с закалочными напряжениями, справиться с фазовыми напряжениями. В данном случае охлаждение при закалке выполняется в расплавленных солях и щелочах, а сам метод создан для работы с легированными типами стали.

• Обработка с самоотпуском

Изделия после нагрева погружают для охлаждения при закалке в охлаждающую среду, где они остаются до неполного остывания. Далее поверхность металла снова нагревается до необходимой степени благодаря внутренней теплоте. Иными словами, происходит самоотпуск. Этот способ позволяет создавать изделия с поверхностью высокой твердости и вязкой сердцевиной. Именно такие характеристики требуются инструментам ударного действия, например, молоткам, зубилам.

Чтобы добиться необходимой структуры, изделие остужают с различной скоростью, которая зависит от выбранной охлаждающей среды, формы предмета, показателя теплопроводности металла. Грамотно подобранный режим остывания позволяет избежать появления значительных закалочных напряжений. Слишком быстрое снижение степени нагрева вызывает внутренние напряжения, а они чреваты короблением, формированием трещин.

Если внутренние напряжения уравновешиваются в пределах макроскопических частей тела, их принято обозначать как напряжения I рода. На их фоне происходит изменение формы или коробление, появляются трещины в процессе термообработки.

Напряжения появляются в двух случаях:

• во время охлаждения при закалке не достигнута одинаковая температура по сечению изделия;
• фазовые превращения в разных частях предмета протекают неодновременно.

Избежать трещин можно, защитив поверхность металла от растягивающих напряжений. Характер распределения напряжений при закалке зависит не только от метода охлаждения, но и от температуры нагрева под закалку. При перегреве выше вероятность появления закалочных трещин, деформирования предмета. Также благодаря подобранному режиму остывания важно добиться нужной толщины закаленного слоя.