Закалка металла: способы, технология

СОДЕРЖАНИЕ

• Зачем нужна закалка металла
• Виды сталей, подлежащих закалке
• Способы закалки металла
• Закалка металла в одной среде
• Ступенчатое закаливание стали
• Изотермическое закаливание стали
• Светлое закаливание стали
• Закаливание с самоотпуском
• Закалка стали с полиморфным превращением
• Закалка стали без полиморфного превращения
• Закалка цветных металлов
• Специфика закаливания алюминия
• Специфика закаливания меди
• Отпуск и старение металла после закалки
• Проверка качества закалки стали в домашних условиях

Закалка металла выполняется с целью придания готовому изделию необходимой твердости. Степень твердости, в свою очередь, диктуется тем, как и где будет применяться изделие, будь то кухонный нож или резец для токарного станка. Неотъемлемым этапом закалки является отпуск, позволяющий вернуть заготовке необходимую прочность.

Закалка металла может производиться в промышленных и домашних условиях различными способами. Закаливать можно даже цветные металлы, правда, дома это сделать будет намного сложнее. О том, как и для чего производится закалка металла, вы узнаете из нашего материала.

Зачем нужна закалка металла

В древности мастера, которые занимались кузнечным делом, знали, для чего необходимо закаливать сталь. Если правильно подобрать температурный режим, удастся улучшить эксплуатационные параметры материала, поскольку его структура изменится.

Процесс закалки представляет собой термическую обработку стали, ее проводят, чтобы изменить механические параметры металла. Во время этого процесса перестраивается атомная решетка под воздействием повышенной температуры и последующего резкого охлаждения.

С помощью термической закалки металла можно улучшить эксплуатационные качества бюджетных сталей. Такой подход позволяет снизить себестоимость производимых товаров, увеличив прибыль компании.

Закалка металлов и сплавов необходима для того, чтобы:

• сделать поверхностный слой более твердым;
• повысить прочность металла; 
• снизить пластичность до нужного значения, в результате чего сопротивление на изгиб повысится;
• уменьшить вес изделий, которые будут прочными и твердыми.

Технология закалки металла с последующим отпуском может отличаться. Выделяют несколько параметров процесса нагрева:

1. Температура нагрева.
2. Время, необходимое для нагрева.
3. Время выдержки металла в определенном температурном режиме.
4. Скорость, с которой металл охлаждается.

Перечисленные выше показатели влияют на изменение параметров металла при закалке. Однако наибольшее воздействие оказывает именно температура нагрева, поскольку от нее зависит процесс перестройки атомной решетки.

Так, время выдержки во время закалки металла нужно выбирать с учетом того, насколько прочным и твердым должна быть деталь, например зубчатое колесо, чтобы обеспечить максимально долгую эксплуатацию в условиях повышенного износа.

Что касается того, какие стали будут проходить процедуру закалки, необходимо брать в расчет зависимость температуры нагрева от процентного содержания углерода и примесей в металле.

Единицы закалки стали представлены максимально высокой температурой и временем выдержки.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

Правильная закалка металла с улучшением его эксплуатационных характеристик возможна только при учете следующих нюансов:

1. Закаленный металл становится прочнее. Но твердая сталь более хрупкая.
2. На поверхности появляется слой окалины, поскольку здесь потеря углерода и примесей больше, чем в середине. Толщину окалины нужно учитывать, когда вы будете рассчитывать припуск, допустимые габариты изделий из закаленного металла.

Процесс закалки металла должен осуществляться с учетом скорости охлаждения. Если нарушить технологию, случится переход перестроенной атомной решетки в промежуточное состояние. В результате эксплуатационные свойства стали ухудшатся.

Например, если охлаждение происходит слишком быстро, металл трескается, на нем появляются дефекты, в результате такая заготовка не подходит для дальнейшего использования.

Виды сталей, подлежащих закалке

Проводить закалку и отпуск металла можно не на всех марках сталей. Дело в том, что марки, где содержится менее 0,4 % углерода не меняют свою твердость после проведения данной процедуры. Проводить их закалку нецелесообразно. Технология закалки подходит для инструментальных сталей.

Далее приведена таблица закалки и отпуска металла для разных марок инструментальных сталей:

Способы закалки металла

Температура закалки металла и скорость охлаждения – главные характеристики, которые нужно учитывать. На выбор этих характеристик влияет марка стали, содержание в ней углерода и легирующих веществ.

Закалка металла в одной среде

Во время закаливания металла от среды зависит скорость охлаждения. Максимально твердая сталь получается, если окунать его в воду. По такой технологии закаливают среднеуглеродистые низколегированные, а также нержавеющие стали.

Когда в металле содержится более 0,5 % углерода и легирующих веществ, заготовка пойдет трещинами после охлаждения в водной среде. На металле появятся дефекты, он может разрушиться.

Повысить твердость высоколегированных сталей удастся, охлаждая их в воздушной среде.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Если закаливание металла происходит на воде, ее нужно подогреть до 40–60 градусов Цельсия. Холодная вода отскочит от горячей поверхности, образуется паровая рубашка. В результате охлаждение будет происходить медленнее.

Ступенчатое закаливание стали

Время закалки металла со сложным составом увеличивается, поскольку процедура осуществляется в несколько этапов. Чтобы ускорить охлаждение заготовок больших размеров из высоколегированных сталей, необходимо окунать их в воду на несколько минут. Затем закаливание следует продолжить в масле.

В воде поверхность заготовки мгновенно охлаждается. Затем металл опускают в масло, где деталь остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320 градусов Цельсия.

Нельзя закаливать крупные заготовки только в масле, поскольку в этом случае температура изнутри будет замедлять остывание, а значит, металл получится недостаточно твердым.

Изотермическое закаливание стали

Если имеется необходимое оборудование для закалки металла, выполнить эту процедуру получится, даже если сталь высокоуглеродистая. Однако этот процесс будет протекать сложно, в частности, когда изделия из инструментальной стали, к примеру топоры, пружины, зубила.

Из-за быстрого охлаждения в стали образуется напряжение. Высокотемпературный отпуск уменьшает твердость детали.

Последовательность закалки металла следующая:

• Проводят нормализацию, чтобы улучшить структуру.
• Нагревают металл до необходимой температуры.
• Сталь опускают в емкость с селитрой, которая нагрета до 300–350 градусов Цельсия. В такой ванне заготовку выдерживают некоторое время.

По завершении данной процедуры нет необходимости в отпуске металла. При медленном остывании получается снять напряжение.

Светлое закаливание стали

Технический термин «светлая закалка» не применяется. При закаливании легированных сталей, в том числе их нагрев, в вакуумной среде, в инертных газах потемнение металла не происходит.

Закаливание в среде защитных газов – достаточно затратное мероприятие, необходимо использовать специальное оборудование отдельно для каждого типа деталей. Светлая закалка подходит лишь при массовом производстве продукции одного типа.

Читайте также: «Дуговая сварка в защитном газе: суть процесса»

Заготовку нагревают в вертикальной печи, затем она проходит через индуктор, далее ее опускают в соляную либо селитровую ванну. Важно, чтобы оборудование было герметично. По завершении каждого цикла из него откачивают воздух.

Закаливание с самоотпуском

Если охлаждение происходит быстро, внутри заготовки сохраняется тепло. Оно постепенно выходит и отпускает металл, напряжение снимается.

Проводить данную процедуру должны опытные профессионалы, разбирающиеся в том, как сильно можно уменьшить время пребывания заготовки в охлаждающей жидкости.

Если вы осуществляете закалку металла в домашних условиях, самоотпуск делают, когда необходимо обработать крепежные элементы и небольшие детали, чтобы придать им большую твердость. Следует расположить их на теплоизолирующем материале, а затем укрыть асбестом.

Закалка стали с полиморфным превращением 

Если сталь углеродистая, когда повышается температура выше установленной границы, начинаются фазовые превращения, которые изменяют кристаллическую решетку.

Когда температура достигает максимальной отметки (зависит от процентного содержания углерода), начинается распад карбида железа, образуется раствор углерода в железе, он носит название «аустенит».

Если остывание происходит медленно, начинается распад аустенита. В результате кристаллическая решетка возвращается в первоначальное состояние.

Когда охлаждение углеродистых сталей происходит слишком быстро, в зависимости от режима закаливания, в заготовках образуются различные фазовые состояния. Максимальной прочностью из них обладает мартенсит.

Чтобы получить мартенситную структуру, доэвтектоидные стали (до 0,8 % C) нужно нагреть до температуры выше точки Ас3 на 30-50 °C, для заэвтектоидных – на 30-50 °С выше Ас1.

Такой вид закалки металла подходит для инструмента для резки металла, а также чтобы сделать трущиеся в процессе эксплуатации детали более прочными, к примеру шестерни, валы, обоймы, втулки.

Читайте также: «Контактная сварка»

Если осуществляется нагрев до низких температур, в структуре доэвтектоидных сталей месте с мартенситом происходит сохранение мягкого феррита. Он делает сталь мягче, ухудшает эксплуатационные параметры после отпуска.

Данный вид закаливания считается неполным, детали получатся бракованные. Однако эта технология подходит для тех ситуаций, когда необходимо исключить образование трещин.

Закалка стали без полиморфного превращения

Закалка металла без полиморфного превращения подходит для цветных металлов и сплавов, которые имеют ограниченную растворимость вторичных фаз при стандартных температурах. В них при повышенном температурном режиме выше линии солидуса (линия, ниже которой находится твердая фаза) происходит полное растворение вторичных фаз.

Если охлаждение осуществляется резко, не происходит выделение вторичных фаз. Дело в том, что для протекания этой операции нужно некоторое время.

По завершении термической обработки цветной сплав будет термодинамически неустойчивым. С течением времени начнется его распад с выделением вторичной фазы.

Данный процесс распада, который осуществляется в естественных условиях, носит название естественного старения либо искусственного старения (при нагреве).

В результате получается равновесная структура. В зависимости от режима процесса меняются параметры металла.

Читайте также: «Сварка медных проводов: разбираемся в технологии»

Закаливание цветных металлов зачастую не делает их более прочными в отличие от углеродистых сталей. Медные сплавы после термической обработки получают нужную пластичность.

Для подобных металлов применяют отпуск, такая технология позволяет снять напряжение после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Закалка цветных металлов

Специфика закаливания алюминия

Достаточно редко требуется самостоятельная закалка алюминиевых изделий. Дело в том, что продукция из литейных и деформируемых сплавов уже прошла необходимую термическую обработку, во время использования изделия остаются твердыми и жесткими.

В каких случаях может потребоваться в домашних условиях закалить алюминий? К примеру, если вы сварили детали из алюминиевых сплавов и изделие потеряло жесткость в области прилегания к сварному шву.

Однако самостоятельно провести данную процедуру проблематично. Необходимо знать тип сплава, выдержать термические параметры с высокой точностью ±5 °C.

Охлаждение также нужно выполнить правильно, для этого необходимо иметь опыт проведения подобных работ. Если нарушить технологию, деталь поведет.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

В случае необходимости, когда вам нужно применить данный вид термической обработки самостоятельно, прежде всего потребуется специальная печь для закалки металла с высокоточным регулятором. Кроме того, необходимо понимать, что вы будете вынуждены проводить закалку по очереди для каждого образца, чтобы подобрать подходящие параметры термической обработки.

Специфика закаливания меди

Термическая обработка меди и стали в корне отличается. Если нагреть медь до красного каления, когда температура превышает 600 градусов Цельсия, а затем быстро охладить в водной среде, произойдет ее отпускание. В результате заготовка станет мягкой.

Выполнить процедуру закаливания меди самостоятельно труднее, чем отпустить. Придется нагреть ее до 400 градусов Цельсия, чтобы не произошло красное каление. Когда заготовка будет нагрета до требуемой температуры, металл нужно остудить в воздухе. Только тогда деталь станет твердой, как после нагартовки.

В случае, когда у вас есть термопечь для закалки металла и вы планируете закалить медные заготовки дома, необходимо приобрести пирометр, чтобы вы могли отслеживать температуру нагрева.

Отпуск и старение металла после закалки

Процедуру закаливания стали проводят для того, чтобы сделать ее более твердой. Однако хрупкость заготовки также увеличивается. Из-за этой особенности следует осуществлять отпуск металла, когда происходит небольшое снижение прочности и твердости заготовки, при этом материал обретает нужную пластичность. Отпуск выполняют при более низкой температуре, при этом охлаждение происходит медленно.

Закаливать металл можно, не меняя его структуру, то есть без полиморфного превращения. Тогда заготовка не станет хрупкой. Однако деталь не обретет нужную твердость. Чтобы сделать металл твердым, необходимо осуществить термическую обработку. Этот процесс называется «старение». Во время этой процедуры распадается пересыщенный твердый раствор, заготовка становится более твердой и прочной.

Отпуск металла является одним из видов термической обработки, подходящей для заготовок, которые были закалены до критической точки, и произошло полиморфное изменение кристаллической решетки.

Во время отпуска заготовка выдерживается в течение некоторого времени в нагретом состоянии, затем ее постепенно охлаждают на воздухе.

Отпуск необходим, чтобы устранить внутреннее напряжение, снизить хрупкость заготовки, сделав ее более пластичной.

Читайте также: «Шлифовка металла»

Старение позволяет достичь требуемой твердости металла. Старение подразделяется на несколько видов:

• Естественное, в этом случае прочность металла после закалки увеличивается самостоятельно, снижается пластичность. Естественное старение происходит тогда, когда металл выдерживают в естественной среде.
• Термическое старение. В этом случае заготовка становится более твердой за счет того, что ее выдерживают при высокой температуре. Однако при проведении такой обработки может случиться перестаривание. Тогда твердость, прочность и текучесть металла достигают своего максимума и постепенно снижаются.
• Деформационное старение. Для его осуществления проводят пластическую деформацию металла после его закалки. Структура заготовки – пересыщенный твердый раствор.

Проверка качества закалки стали в домашних условиях

Как понять, что у вас получилось самостоятельно провести закалку детали и она стала достаточно твердой? Существует несколько методик, первая из них традиционная. Для этого нужно поцарапать металл неалмазным надфилем, его твердость составляет 55÷60 HRC.

Заметили, что на металле образовались борозды? Это указывает на то, что закалить сталь и сделать ее тверже не получилось. Когда надфиль скользит по металлу, значит, закалка прошла успешно.

Следующая технология проверки закаливания металла в домашних условиях заключается в том, что вы царапаете закаленной сталью по стеклянной бутылке. Также самостоятельно у вас получится проверить не только твердость стали, но и структуру металла. Потребуется закалить несколько образцов одинакового металла в разных режимах. После этого можно осмотреть заготовки, чтобы сравнить структуру и размер зерна.

Закалка металла используется в течение многих столетий, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики стали.

Читайте также: «Деформация металла»

Термическая обработка, при которой металл нагревается, а затем охлаждается в определенной среде, позволяет сделать сталь твердой и прочной. Необходимо выбирать температурный режим в зависимости от состава сплава, а также механических параметров, которые необходимо достичь.

Если неправильно выбрать режим закаливания стали, металла станет хрупким либо его верхний слой получится слишком мягким. Важно разбираться в различных способах и технологии закалки стали, чтобы не совершить ошибку и не испортить заготовку.