Что это такое? Охлаждение металла — это процесс, который следует за его нагреванием с целью изменения свойств сплава. В результате детали становятся более твердыми и прочными.
Для чего применяют? Различные способы охлаждения позволяют получить сталь с разными характеристиками из одного и того же исходного материала. Важную роль играют среда, время и температура.
СОДЕРЖАНИЕ
Основные способы охлаждения металла
Охлаждение металла тем или иным способом представляет собой понижение температуры после горячей формовки.
Есть несколько видов охлаждения металла:
- ВО (воздушное охлаждение) — процесс снижения температуры металла происходит естественным путем на открытом воздухе, в результате продукция получается пластичной.
- УО1 (одностадийное ускоренное охлаждение) — в этом случае металл охлаждается в быстром режиме в один этап с использованием охлаждающих камер.
- УО2 (двухстадийное ускоренное охлаждение) — данная технология включает в себя два последовательных этапа интенсивного охлаждения (водяной и воздушный). Происходит изменение скорости охлаждения при понижении температуры. Скорость и специфика охлаждения металла в воде и водных растворах зависят от множества факторов, например температуры охладителя, скорости перемещения тела, а также среды друг относительно друга, содержания всевозможных примесей.
За счет того, что охлаждение замедляется в верхнем интервале температур, величина термических напряжений оказывается меньшей. Если сохранять высокую интенсивность охлаждения, в районе мартенситного превращения начнут образовываться большие фазовые напряжения. В результате прочность снизится, образуются закалочные трещины. Поэтому нельзя повышать температуру воды выше 30-40 градусов Цельсия, а также понижать ее ниже 10 градусов.
Чтобы охлаждение металла водой происходило эффективнее, следует использовать циркуляцию для разрушения паровой пленки, а также сокращения второй замедленной стадии процесса.
Читайте также: «Организация сварочных работ»
Остывание будет происходить быстрее, если добавлять в воду примеси, к примеру соли, щелочи, кислоты. Если требуется замедленное охлаждение металла, то применяются другие примеси, которые, наоборот, могут снизить скорость данного процесса. К ним относятся глина, масло, мыло, желатин.
На практике зачастую металл охлаждается в маслах. При этом уменьшается скорость протекания данного процесса в районе 650-550 °С ориентировочно в 5 раз, таким образом, закаливающая способность ослабевает.
Параллельно с этим в районе мартенситного превращения скорость охлаждения по сравнению с водой снижается в 25-30 раз. Поэтому исключается риск появления закалочных деформаций, а также трещин.
Читайте также: «Сварочный стол своими руками»
Что касается масел, что смена температуры и скорости циркуляции практически не влияют на протекание процесса снижения температуры металла, чего нельзя сказать про охлаждение в воде.
Чтобы сохранить необходимые свойства металла при охлаждении, особенно для закалки стальных изделий больших диаметров, сегодня чаще всего используется водовоздушная смесь. Ее получают, распыляя воду при помощи воздуха через форсунки. То, насколько быстро будет охлаждаться металл, зависит от пропорции воды и воздуха. Процесс охлаждения протекает медленнее в струе воздуха, быстрее – в струе воды.
От того, какой способ охлаждения выбран, зависит прочность металла, его пластические свойства, а также качество поверхности. Если технология соблюдается, объем окалины на поверхности проката после двухэтапного охлаждения будет не более 10 кг/т, после одноэтапного — 18 кг/т.
Режимы охлаждения металла
После прокатки в горячем состоянии в большинстве случаев осуществляется охлаждение металла воздухом в штабелях либо на холодильниках.
Но что касается средне- и высокоуглеродистых, низко- и высоколегированных сталей и сплавов, после горячей прокатки требуется регулируемое охлаждение, чаще всего замедленное.
Это нужно для того, чтобы исключить возникновение на поверхности и внутри проката трещин, а также для снятия остаточного напряжения, получения оптимальной структуры и параметров металла.
Учитывая состав, выдвигаемые требования, риск появления пороков после снижения температуры, выполняют замедленное либо ускоренное охлаждение металла после прокатки по выбранному режиму.
Стандартная скорость охлаждения металла достигается на воздухе, на стеллажах, в холодильниках. Ключевое требование при таком режиме – максимально быстро снизить температуру стали. Поэтому прокатанные полосы укладываются в один ряд, зачастую с промежутками между ними.
Читайте также: «Контактная сварка»
Ряд марок стали, к примеру, рессорная, должны быть достаточно твердыми. Поэтому прокат охлаждают на стеллажах так, чтобы полосы, расположенные на ребрах и прижатые друг к другу, перемещались по холодильнику в один ряд по высоте.
Охлаждая прокат с образованием сплошной массы, можно достичь нужной твердости. Если металл охлаждается при поштучной укладке, твердость будет выше, чем необходимо. Сортовую сталь охлаждают на воздухе, а также в холодильниках.
Для достижения нужной температуры охлаждения металлов (50 градусов Цельсия и ниже) должны быть определенная конструкция и габариты холодильников.
Читайте также: «Контроль сварных швов: разбираемся в методах оценки»
Длительность данного процесса можно определить по формуле М. Я. Бровмана:
Tохл = 0,537θп • Ст / (Fт • Gп)
Расшифровывается она следующим образом:
Тохл — время охлаждения, ч;
θп — масса одной полосы, кг;
Ст — теплопроводность металла, Дж/(кг-град);
Gп — постоянная лучеиспускания [Gп = 18,5 Дж/(м2-град)];
Fт — теплоотводящая поверхность, м2.
Если не требуется быстрое охлаждение металла, к примеру, при работе с заготовками и блюмами легированных сталей, их оставляют на воздухе в штабелях и пакетах. Поскольку скорость протекания данного процесса уменьшается, удается снизить напряжение в металле, поэтому не образуются трещины, сталь получается менее твердой.
Поэтому с нее можно легко удалить поверхностные пороки, исключить риск образования дефектов при огневой закалке.
Если не требуется резкое охлаждение металла, применяется замедленный режим для крепких и легированных флокеночувствительных сталей.
Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»
Обработку выполняют в проходных отапливаемых печах, а также отапливаемых и неотапливаемых ямах и коробах. Медленное охлаждение, начиная с 800-900 градусов Цельсия, позволяет выровнять температуру по сечению профиля, а также устранить внутренние напряжения после прокатки.
При таком способе снижения температуры металла используют изотермический режим, когда сталь выдерживают при 600-750 градусах Цельсия, после чего охлаждают на воздухе.
Быстрое охлаждение подходит для катанки и листа перед сматыванием в бухты и рулоны, это необходимо, чтобы получить нужную структуру, уменьшить образование окалины.
Кроме того, используют водяное охлаждение в трубках либо на рольгангах. Регулируемое ускоренное охлаждение водой и на воздухе листа и ленты из стали до 700-500 градусов Цельсия перед сматыванием в рулоны производится для того, чтобы улучшить структуру, сделать ее равномерной.
Читайте также: «Сварочная ванна»
Для предотвращения образования карбидной сетки высокоуглеродистые и легированные стали (УД, У12, ШХ15) охлаждают водой.
Чтобы обеспечить закалку с последующим самоотпуском с прокатного нагрева, производят быстрое термоупрочняющее охлаждение. Для этого используют регулируемые системы быстрого охлаждения водой.
Способы охлаждения стали
Способ закалки может отличаться: все зависит от формы заготовки, а также марки стали и требуемых свойств металла. Можно выполнить охлаждение металла азотом, водой или маслом.
Закалка в одном охладителе (V1)
Заготовку нагревают до определенной температуры, а затем опускают в охладитель. Для охлаждения можно использовать:
- воду – подойдет для больших заготовок из углеродистых сталей;
- масло – для маленьких деталей с простой формой из углеродистых и легированных сталей.
У данного способа снижения температуры металла есть один минус: возникает большое закалочное напряжение.
Закалка в двух средах – прерывистая (V2)
После нагрева заготовку необходимо охладить в резком охладителе, к примеру воде, до 300 градусов Цельсия. Далее деталь нужно перенести в мягкий охладитель, например масло. За счет прерывистой закалки обеспечивается оптимальный режим охлаждения. Используется такая технология для обработки инструментов.
Минус: сложно определить момент, когда нужно переносить деталь из одной среды в другую.
Ступенчатая закалка (V3)
Металл нагревают до нужной температуры, затем перемещают в охладитель, его температура – 230-250 градусов Цельсия. В этой среде деталь находится так долго, чтобы температуры выровнялась по всему сечению. Время проведения изотермической выдержки не должно превышать периода устойчивости аустенита при выбранном температурном режиме.
Читайте также: «Брызги металла при сварке»
В роли охладителя выступают расплавленные соли либо металлы. Когда изотермическая выдержка завершится, заготовку следует охладить с небольшой скоростью. Технология подходит для маленьких и средних деталей.
Изотермическая закалка (V4)
Главное отличие от ступенчатой закалки заключается в длительности выдержки при температуре более 200 градусов Цельсия, а также в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка позволяет достичь полного превращения переохлажденного аустенита в бейнит.
При промежуточном превращении легированных сталей, помимо бейнита, в структуре удается сохранить аустенит остаточный.
Читайте также: «Сварка при низкой температуре»
Полученная структура достаточно прочная, пластичная и вязкая. При этом удается снизить деформацию, причина которой – закалочные напряжения, а также в какой-то степени избавиться от фазовых напряжений.
В роли охладителя применяют расплавленные соли и щелочи. Такая технология подходит для легированных сталей.
Закалка с самоотпуском
После нагрева заготовку опускают в охлаждающую среду, выдерживая до некоторого порога снижения температуры. Когда деталь извлекают, поверхностные слои снова нагреваются благодаря внутренней теплоте до нужной температуры. Таким образом происходит самоотпуск.
Как известно, металл сжимается при охлаждении. Поэтому такая технология подходит для заготовок, которые должны иметь твердую поверхность, при этом быть вязкими в сердцевине. Это ударные инструменты, такие как молотки и зубила.
С помощью множества способов и технологий охлаждения получится закалить все виды стали.
Чтобы легированные или углеродистые стали после закалки обрели необходимые свойства, важно соблюдать условия охлаждения металла газом, водой или маслом. Важно понимать, что детали, в которых есть углерод, не получится закалить, поскольку они могут разрушиться.
Читайте также: «Рессорная сталь»
Исключить появление дефектов можно, если правильно провести подготовку стали к термической обработке. Например, нужно удалить сколы и зазубрины на металлической конструкции, зачистить поверхности от коррозии. Если не убрать внешние дефекты, целостность заготовки будет нарушена, деталь получится недостаточно твердой и пластичной.
Прежде чем приступить к закалке, нужно узнать, из чего состоит металл, от этого зависит выбор техники обработки.
