Способы закалки стали: Виды и способы закалки металлов

Виды и способы закалки металлов

Закалка металла представляет собой термообработку, при которой заготовки из стали разогревают до температуры, превышающую критическую, выдерживают при нем определенное время, резко остужают в воде либо масле.

Главное предназначение закалки стали – получить твердый, прочный, износостойкий металл. Качество закалки зависит от температуры и быстроты разогрева/охлаждения, времени выдержки.

Температуру разогрева под закаливание для большей части металлов устанавливают по расположению критических точек. Закалку металлов типа нержавейки осуществляют при более высоком температурном уровне, чем закаливание обычной стали. К примеру, нержавейка 4Х13 закаливается при 1100 градусах. Сталь Р18 закаляется при 1250 градусах. Это необходимо, чтобы обеспечить полное растворение лишних карбидных элементов.

Скорость разогрева

Быстрота разогрева зависима от формы заготовок, их прокаливаемости, вида нагревающих печей и среды нагревания. К примеру, шаровая деталь разогревается в 3 раза, а цилиндровая – в 2 раза медленнее, чем пластина. Чем выше скорость разогрева, тем производительнее нагревающая печь.

Если заготовки расположены рядом друг с другом плотным образом, то на их нагрев придется потратить много времени. Для определения времени разогрева изделий специалисты обыкновенно используют технологические карты. В них включен список всех процедур обрабатывания заготовок, указана вся нужная информация (температурный уровень, продолжительность прогрева, метод охлаждения, используемые устройства).

Среднее время разогрева заготовок таково (указано время для нагрева одного миллиметра):

• электропечь (800 градусов) – 50 секунд;
• пламенная печь (1300 градусов) – 18 секунд;
• соляная ванна (1300 градусов) – 9 секунд.

При термообработке необходимо не только разогревать железо до нужного температурного уровня, но и выдерживать при нем до окончания структурных изменений. Следовательно, полное время нахождения изделий в нагревательной среде складывается из продолжительности разогрева и выдержки.

Среды охлаждения

Для того чтобы охлаждать изделия из стали, обычно используют разные среды закаливания: воду, соляные растворы, плавленую соль, минеральные масла и так далее. Среды закалки значительно различаются по физическим характеристикам.

Самой лучшей средой для закаливания металла является та, в которой охлаждение проходит быстро при 500-650 градусах и медленно – при 200-300 градусах. Универсальной среды в данный момент не существует.

Типы закаливания

Разные виды закалки отличаются по методу охлаждения. Чем более сложная форма у заготовки, тем ответственнее нужно отнестись к подбору охлаждающей среды. Изделия должны становиться твердыми, не иметь трещинок.

Полная закалка делится на такие разновидности:

1. В одном охладителе. Самый легкий и популярный метод. Заготовку, разогретую до температуры закаливания, опускают в охлаждающую среду. Она располагается там, пока полностью не остынет. Данный метод применяют при закаливании простых изделий, которые изготовлены из углеродистой/легированной стали. Заготовки из углеродистой стали остужаются в воде (кроме изделий радиусом менее 2 миллиметров), из легированной – в масляной жидкости. Этот метод можно использовать при осуществлении механизированной закалки металлов.

2. В 2 средах (прерывистая). Метод, при котором изделие остужают в воде, а потом опускают в другую охлаждающую среду для закалки (масляная жидкость). Способ используется при обработке инструмента, произведенного из металла с большим содержанием углерода.

Минус подобного метода состоит в том, что непросто определить продолжительность нахождения изделия в воде. Если передержать деталь в воде, она покоробится, на ней появятся трещинки. Специалист, использующий подобные способы закалки, должен быть опытным и высококвалифицированным.

3. Струйчатая. Заготовки, для которых достигнута температура закалки, остужаются водной струей. Подобный используется при обработке внутренних участков, штампов высадки, матриц, иного штамповочного инструмента, у которого рабочая часть должна располагать мартенситной структурой.

Если использовать такие способы закалки, паровая рубашка не формируется. Детали прокаливаются глубже, чем при обыкновенном закаливании в воде. Быстрота остывания зависит от температурного уровня, водного напора, радиуса и числа отверстий в брызгале, угла, который образует струя с заготовкой.

4. С самоотпуском. Метод заключается в том, что изделия держат в охладителе не до полного остывания. В некоторый момент охлаждение останавливают, чтобы обеспечить сохранение в середине заготовки тепла, нужного для самоотпуска. Данный момент определяется опытным путем. Качество термообработки прямо зависимо от квалификации рабочего.

Закалка и отпуск контролируются по цветам побежалости, которые возникают на светлой части заготовки. Возникновение цветов побежалости при 200-300 градусах обусловлено появлением на изделии оксидной пленки небольшой толщины.

Такие способы закалки используют для обработки ударного инструментария (зубила, бородки, керны). У данных приспособлений твердость должна снижаться равномерным и постепенным образом.

5. Ступенчатая. Разогретые заготовки остужают в медленно охлаждающейся среде (плавленая соль, горячая масляная жидкость). За время небольшой выдержки происходит выравнивание температурного уровня. После этого выполняется финальное охлаждение.

Ступенчатая полная закалка позволяет уменьшить напряжения внутри детали. Ее часто используют в промышленности, в особенности при производстве инструмента. Она дает возможность осуществлять правку и рихтовку раскаленных изделий.

6. Изотермическая. Такая полная закалка заключается в том, что изделие нагревается до нужного температурного уровня и охлаждается в изотермической среде до 230-340 градусов. Выдержки заготовок в среде закаливания должно быть достаточно, чтобы аустенит полностью превратился в троостит. После превращения закаленное изделие остужается на воздухе.

Такой вид закаливания применяют тогда, когда цель закалки – сделать изделие максимально прочным, пластичным и вязким.

Дефекты, которые возникают при закаливании

Когда осуществляется закалка и отпуск изделия, внутри его возникают напряжения. Образуются трещинки, деталь деформируется, коробится, обезуглероживается, окисляется, появляются мягкие пятна.

• Трещинки. Этот брак нельзя исправить, он образуется при термообработке. В больших изделиях, к примеру, в матрицах и штампах для ковки, трещинки могут возникать даже при закаливании в масляной жидкости. Ввиду этого подобные изделия нужно остужать до ста пятидесяти градусов с резким отпуском.
  Трещинки возникают при ошибках разогрева, а также тогда, когда скорость охлаждения при закалке слишком высокая. Обычно они появляются в уголках заготовок, выглядят дугообразно либо извилисто.
• Деформирование, коробление. Возникают из-за того, что преобразования структуры, объема проходят неравномерно, внутри детали появляются напряжения при остывании. Ввиду этого при опускании изделия в среду закалки нужно принимать во внимание его форму, величину. К примеру, заготовки, которые имеют толстые/тонкие элементы, опускают в среду закаливания сначала той частью, которая толще.

В крупносерийном производстве для каждого изделия производятся особые приспособления. Цена их разработки окупается. Такие изделия, как колеса с зубцами, диски, плиты проходят закаливание в прессовочных/штамповочных устройствах. Это позволяет избежать коробления.

• Обезуглероживание. Этот процесс, по определению, заключается в том, что из металла уходит большая часть углерода. Деталь может обезуглеродиться при нагревании в электропечах, жидкостях (соляных ваннах). Это значительный дефект, сильно снижающий прочность изделия. Обнаружить его сложно. Обычно для этого применяется микрошлиф.
• Мягкие пятна. Представляют собой области заготовки, имеющие сниженную твердость. Дефект может быть обусловлен наличием окалины, грязи, обезуглероживанием, паровой рубашкой. От него избавляются струйчатым закаливанием в соленой воде.
• Недостаточная твердость. Обычно дефект проявляется при обработке инструмента, может быть обусловлен медленным охлаждением в закаливающей среде, малой температурой. Для его исправления изделие отпускают при температуре шестьсот градусов, после чего нормально закаливают.
• Перегревание. Структура перегретой детали крупнозерниста, изломана. Из-за этого механические характеристики металла невысоки. Для того чтобы измельчить зерна и подготовить заготовку к новому закаливанию, металл отжигают.
• Недогрев. При данном дефекте структура металла заключает в себе мартенситные и ферритные зерна. Они располагают малой твердостью. Дефект устраняется отжигом металла с повторным закаливанием.

Что такое закаливаемость? Это свойство металла, характеризующее его способность к закалке. Для каждого вида металла нужно подбирать оптимальный закалочный метод. При его выборе необходимо принимать во внимание также тип изделия. Ни в коем случае нельзя допускать превышения критической скорости закалки. Это может привести к возникновению разнообразных дефектов, которые придется устранять. Также нужно охлаждать деталь достаточное количество времени.

Если вы интересуетесь покупкой металлического сейфа, то в компании ООО «НПО Промет» вы сможете найти сейфы, металлическую и производственную мебель, автоматические системы хранения и электронные замки любого класса взломостойкости. Чтобы ознакомиться со всем ассортиментом достаточно перейти на сайт. Гармоничное сочетание многолетнего опыта и инновационных технологий позволяют создавать надежную и безопасную продукцию.

Как закалить металл в домашних условиях: закалка и отпуск стали

Закаливать металл научились давно — такая процедура существенно укрепляет изделия из него. Сейчас в основном применяется промышленная с помощью термических печей, но даже бытовая закалка стали в домашних условиях способна лишить металлический предмет нежелательной мягкости и тягучести.

Имеется и обратная сторона — излишнее закаливание наделяет металл чрезмерной хрупкостью, но её так же можно устранить собственными силами, подвергнув изделие отпуску.

Закалка нужной степени не даст металлу легко гнуться, и в то же время не позволит ему крошиться. Как правильно термически обработать стальное изделие, чтобы этого добиться самостоятельно — тема нашего обзора способов закалки.

Что происходит с металлом при закалке

Закалка по сути — это раскаливание докрасна либо добела, в зависимости от материала, уже готового изделия, или же его частей, с последующим быстрым охлаждением — одиночным или же поэтапным, с целью повысить степень его прочности.

Ответ на вопрос — почему закаливание усиливает прочность материалов, был точно дан лишь после изучения кристаллического строения их решётки. До этого мастера без достоверного понимания механизма, что представляет собой закалка металла, опытным путём пришли к выводам о том, что она повышает твёрдость по сравнению с сырым материалом.

• При раскаливании металлов и сплавов выше критической точки происходит разрушение их первоначальной кристаллической структуры.
• Металл становится мягким, а кристаллы — подвижными и мелкозернистыми.
• После погружения в закалочную среду (резкое охлаждение), зёрна сохраняют мелкозернистую структуру, а связь между ними укрепляется.

Закалённый материал приобретает более плотную и поэтому прочную структуру, однако одновременно присоединяется хрупкость. Поэтому часто закаляют лишь наконечники, кромки режущей поверхности и иные рабочие части изделий, оставляя саму сердцевину пластичной, чтобы не терялась износостойкость и выдерживались нагрузки.

Как проверить металл на твёрдость

Для того, чтобы решить, нуждается ли конкретный материал в термической обработке, нужно выяснить степень его твёрдости. И только потом подбирать подходящий способ, как закалить металл в домашних условиях, чтобы получить желаемый баланс твёрдость/пластичность.

В сущности твёрдость металла — это степень его сопротивляемости на воздействие более прочного предмета.

Существуют лабораторные и промышленные методы, эталонные таблицы, но самой популярной и простой остаётся методика Роквелла, где с помощью вдавливания наконечника из алмаза либо шарика из высокопрочной стали на приборе проверяется степень углубления и соотносится со шкалой.

Но если точные цифры показателя по шкале твёрдости Роквелла не нужны, то можно на глазок прикинуть её для металла в домашних условиях. Для этого придётся вооружиться надфилем, если нужно проверить плоскую либо округлую поверхность, или же куском стекла, если требуется испытать острую кромку.

• Мягкий металл (не проходивший закалку сырец) почти без усилий берётся надфилем и не режет стекло, лишь слегка царапая.
• Относительно твёрдый металл (умеренная закалка) берётся надфилем тяжело, со значительными усилиями, на стекле оставляет чёткую уверенную борозду.
• Прочный металл (сильная закалка) надфиль уже отказывается брать, зато стекло поддаётся ему без усилий, сопровождая резку характерным хрустом.

Определившись с изначальной степенью твёрдости, можно подбирать способы для самостоятельной закалки стальных и металлических предметов, чтобы достичь желаемой прочности. Применив эти нехитрые тесты по окончании процесса, аналогично можно проверить полученную после закалки твёрдость, убедившись, что результат удовлетворителен.

Какими бывают разновидности бытовой закалки

В зависимости от стоящей задачи и изначальной марки стали, проводят самостоятельную закалку различными методами, заставляя металл становиться настолько прочным, насколько это необходимо. Эти разновидности процесса отличаются режимами охлаждения, наиболее подходящими под конкретный металл. Если применить некорректный режим охлаждения, то результат получится неудовлетворительным, а изделие — испорченным.

• Закалка в единичной охладительной среде — наиболее излюбленный из-за простоты метод, однако его не стоит применять для металла с высоким (от 0,8%) содержанием углерода. Иначе, по причине появления внутренних напряжений в структуре, возникнут чрезмерная хрупкость и трещины, а само изделие может деформироваться. Поэтому такая методика годится лишь для низкоуглеродистого металла.
• Прерывистая, в 2 этапа, закалка с охлаждением в 2 разных средах — воде, а затем в масле либо на воздухе. Именно такая разновидность пригодна для высокоуглеродистого материала или же легированных сталей, потому что не приводит к появлению деформаций и трещин. По причине сложности метода, к нему стоит прибегать, чтобы закалить крупные изделия.
• Ступенчатая поэтапная закалка, когда после накаливания изделие помещают в горячую солевую ванну на несколько минут, обеспечивает ровное охлаждение по всему сечению, что предотвращает термическое напряжение, ведущее к трещинам и ломкости изделия. Далее металл остывает на воздухе. Такой способ лучше применять для тонких изделий с высоким содержанием углерода в материале.
• Поверхностная (частичная) закалка наделяет металлические изделия поверхностной прочностью и износостойкостью, при этом сохраняется пластичность сердцевины. Такой метод применим для деталей, на поверхность которых приходится значительная нагрузка.
• Закалка с последующим отпуском позволяет закалить изделие для придания ему твёрдости лишь на заданную глубину, а более глубокий слой оставить пластичным. Таким методом повышают прочность ударного инструмента.

К сведению! Не страшно, если получилась излишняя хрупкость — её можно устранить с помощью процедуры отпуска.

Какие закалочные среды подойдут под самостоятельную закалку

Выбор среды, где будет осуществляться процесс самостоятельной закалки, — столь же важный этап, как и собственно нагрев, поскольку в разных средах по-разному происходят реакции кристаллизации и полиморфных превращений.

В быту для закалочного охлаждения подходят для применения вода, масло, растворы солей и полимеров, воздух.

• Вода достаточно быстро способна охладить раскалённый материал, что при повышенном содержании углерода может повлечь некоторые недостатки — деформацию, хрупкость, растрескивание. Поэтому в воде закаляются низкоуглеродистые материалы, либо изделия при частичном закаливании.
• Минеральное масло намного медленнее, а поэтому равномернее, охлаждает раскалённую сталь, что минимизирует появление неравномерности структуры и её напряжения, и, соответственно, дефектов вследствие закалки. Обычно маслом охлаждается легированная сталь либо материал с высоким процентом углерода.
• Водные растворы хлорида либо гидроксида натрия, с концентрацией в районе 10%, гораздо равномернее охладят разогретое изделие, чем просто вода. Это позволит добиться одинаковой структурной трансформации по всему сечению металла. Больше подходит для закалочной обработки изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей.
• Полимерные растворы (силикат, моющие средства) снижают скорость остывания материала, а поэтому уменьшаются дефекты и деформация изделия.

Для охлаждения вода берётся с температурой от 20º до 80ºС, масло — с температурой от 20º до 200ºС, солевые растворы — с температурой от 20ºС и до максимума.

Способы, как с помощью закалки самому повысить твёрдость металла

Чтобы произвести закалку либо отпуск, металл следует сильно нагреть — минимум до малинового цвета. Для этих целей оптимально подойдёт термопечь, а при её отсутствии — открытое пламя костра, газовой горелки, паяльной лампы, или же ток под высоким напряжением. Готовясь провести закаливание, нужно предварительно учесть многие моменты.

• Чем выше изначальная твёрдость материала, тем сильнее его требуется накалять.
• Чем больше у материала углерода в составе, тем медленнее должно производиться остывание.
• Если стоит задача закалить предмет целиком, то ему потребуется равномерный нагрев по всей поверхности.
• Не нужно перегревать изделие, лучше избегать появления синих или чёрных вкраплений на раскалённой поверхности.
• Заранее готовятся щипцы и тара с охладителем (охладителями, если их несколько).

Полную, тотальную закалку лучше производить на пламени костра из углей — они долго держат высокий жар, а кострище позволит целиком поместить туда габаритную деталь и равномерно её разогреть.

Частичное закаливание, например режущей кромки, можно произвести с помощью паяльной лампы, ею же легко закаляются мелкие детали — болты, свёрла, гвозди.

Как только материал разогреется до необходимой точки, его тут же вынимают и перекладывают в охладитель (ванну, тару, сосуд).

С помощью подачи высокого тока на пластину с углеродом можно значительно повысить прочность наконечника металлического изделия, когда оно сделано из металла без углерода или с его низким процентом.

Важно! При работе с маслами будьте осторожны — они могут легко воспламеняться!

Процедуру закалки, если материал так и не приобрёл нужной прочности, можно повторять — но для этого всякий раз его придётся больше нагревать. Если же деталь получилась излишне хрупкой, то применяют отпуск.

Как самому убрать излишнюю твёрдость металла с помощью отпуска

Посредством отпуска уходит чрезмерная твёрдость и ломкость материала, приобретенная при закалке. Отпуск по сути — это тот же нагрев до критической точки и медленное охлаждение на воздухе, когда структурная решетка вновь изменяется.

• Отпуск при низких температурах требует несильного нагрева до 250ºС. Он убирает структурное напряжение и сохраняет высокую прочность. Подходит для режущего и колющего инструментария из углеродистого материала, а также для низколегированной стали.
• Отпуск при средних температурах уже требует интенсивного накала в интервале от 350ºС до 500ºС. Он позволяет добиться таких превращений атомов, когда структура становится однородно мелкозернистой, а посему — упругой и износостойкой. Такому отпуску подвергают детали под динамичной нагрузкой — рессоры, спирали.
• Отпуск при высоких температурах требует сильного накала в интервале от 500ºС до 700ºС. Тогда происходит структурный сдвиг, возвращающий излишне закалённой детали вязкость и пластичность с сохранением высочайшей прочности. Такого отпуска требуют детали для ударных нагрузок.

Резюмируя, следует уточнить картину процесса при отпуске. В первом случае в металле будет наблюдаться слабый распад, во втором — распад произойдет, а перестройка структуры не начнётся, в третьем — произойдёт перестройка структуры либо кристаллического строения зёрен.

Закалка стали в домашних условиях: как закалить нержавейку самому

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.

температура, виды и способы :: SYL.ru

Термообработка металла – это обязательный процесс в металлургии. Благодаря правильно проведенной термической обработке стали можно добиться улучшения тех или иных механических характеристик изделия. На эту тему можно говорить довольно долго. Давайте разберемся с вами, что же представляет собой закалка стали, для чего она нужна и какова технология. На первый взгляд все это может показаться крайне сложным, однако если разобраться более подробно, это не так.

Немного общих сведений

Закалка представляет собой процесс изменения кристаллической решетки стали и ее сплавов путем достижения критической температуры, которая для каждого материала своя. Как правило, при достижении необходимого температурного порога следует резкое охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости может выступать вода или масло, но об этом более подробно мы поговорим немного позже.

Стоит заметить, что для инструментальных сталей чаще применяется неполная закалка. Суть ее заключается в том, что достигается температура, при которой образуются избыточные фазы. Для других марок стали используется полная закалка. В этом случае температура нагрева увеличивается на 50 градусов. Цветные металлы подвергаются термообработке без полиморфного превращения, а сталь – с полиморфным превращением.

Снятие закалки

Отпуск – технологический процесс охлаждения изделия, суть которого заключается в получении более пластичного и менее хрупкого материала. При этом прочность стараются сохранить на прежнем уровне. Для этого изделие помещают в печь с температурой от 150 до 650 градусов, где она постепенно остывает. Существует три вида отпуска:

• Низкотемпературный – придает обрабатываемому изделию высокую износостойкость, однако такая сталь хуже воспринимает динамические нагрузки. Процесс протекает под температурой 260 градусов. Низкотемпературному отпуску подвергаются изделия из низколегированных и углеродистых сталей (режущие и измерительные инструменты).
• Среднетемпературный – протекает при температуре от 350 до 500 градусов. Чаще всего используется отпуск пружин, рессор, штампов и т. п. Такое изделие будет обладать хорошей упругостью и выносливостью.
• Высокотемпературный отпуск протекает при температуре 500-680 градусов. После окончания процесса изделие будет обладать высокой прочностью и пластичностью. Высокотемпературный отпуск подходит для дальнейшего изготовления деталей, воспринимающих большие нагрузки (зубчатое колесо, вал и т.п.).

Закалка стали в домашних условиях

Если у вас появилась необходимость повысить прочность домашнего инструмента, то вовсе не обязательно бежать к кузнецу, ведь можно обойтись собственными силами. Для этого вам понадобится минимум оборудования и знаний. В качестве примера давайте возьмем топор. Если изделие было изготовлено еще в СССР, то можете быть уверены в том, что оно сделано на совесть. Однако современные топоры качеством не блещут. Заминание или выкрашивание свидетельствует о том, что технология закалки не была соблюдена. Но ничто нам не мешает все сделать самостоятельно.

Для этого разжигаем костер с углями. Последние должны быть как можно белей. Это говорит об их высокой температуре. Предварительно подготовьте две емкости. Одну наполните маслом, можно обычной отработкой машинного, вторую чистой холодной водой. Когда кромка станет малинового цвета, топор нужно доставать. Для удержания можно использовать кузнечные клещи или что-то в этом роде. Быстро окунаете топор в масло и держите три секунды, затем на столько же достаете и опять окунаете. Так нужно делать до потери яркого цвета. После окунаете топор в воду, не забывайте ее помешивать. На этом закалка стали в домашних условиях закончена. А сейчас пойдем дальше.

Подробно о нагреве металла

Весь процесс закалки условно можно разделить на три этапа:

• нагрев стали;
• выдержка – необходима для завершения всех структурных превращений и сквозного прогрева;
• охлаждение (скорость регулируется).

Если говорить об изделиях, изготовленных из углеродистых сталей, то их закалка осуществляется в камерных печах. При этом не требуется предварительный подогрев, что обусловлено устойчивостью материала к короблению и растрескиванию. Сложные изделия, к примеру резкие переходы и тонкие грани, требуют предварительного подогрева. Это делают:

• в соляных печах с 3-хкратным погружением на 3-4 секунды;
• в отдельных печах при температуре 400-500 градусов по Цельсию.

Нужно понимать, что технология подразумевает равномерный нагрев. Если за один подход это обеспечить нельзя, то необходима выдержка для сквозного прогрева. Чем больше изделий находится в печи, тем дольше необходимо их греть. К примеру, одна дисковая фреза диаметром 2,4 см требует выдержки 13 минут, а десяток таких же изделий, необходимо нагревать уже 18 минут.

Способы закалки стали

В настоящее время активно используется:

• Закалка в одном охладителе. Суть ее заключается в том, что изделие помещается в закалочную жидкость, где оно и находится до полного своего охлаждения. Такую закалку можно реализовать в домашних условиях.
• Закалка в двух средах – метод подходит для обработки углеродистых сталей. Суть метода заключается в том, что деталь сначала погружается в воду (быстро охлаждающая среда), а затем в масло.
• Струйчатая – суть метода в том, что обрабатываемая деталь обрызгивается струей воды. Такой способ закалки используют тогда, когда необходимо закалить только часть детали. Кроме того, не образуется паровая рубашка, что увеличивает эффективность.
• Ступенчатая – охлаждение стали осуществляется в закалочной среде при температуре выше мартенситной. После этого идет выдержка. На этом этапе деталь должна иметь одинаковую температуру во всех сечениях, которая должна соответствовать температуре закалочной ванны.

Защита изделия от внешних воздействий

Довольно часто возникает необходимость защиты деталей от таких вредных воздействий, как окалина и потеря углерода. Для этого чаще всего используют специальные газы, которые подают в печь, где находится обрабатываемая деталь. Конечно, это возможно только при полной герметизации печи. В большинстве случаев источником газа является специальный генератор, который работает на углеводородных газах (метан, аммиак и др.).

В любом случае полная закалка стали должна проходить под защитой. Если газ подвести не получается, то имеет смысл использовать герметичную тару. В качестве герметика используется глина, которая не дает проходить воздуху внутрь. Перед этим желательно осыпать деталь чугунной стружкой.

Соляные ванны

Полная или поверхностная закалка стали должна проходить в соляных ваннах. Они защищают обрабатываемое изделие от окисления, однако не от обезуглероживания. По этой простой причине они подвергаются раскислению бурой или кровяной солью несколько раз за 8-12 часов. Соляные ванны, функционирующие при температуре 760-1000 градусов, эффективно раскисляются древесным углем. Для этого необходимо стакан, имеющий много отверстий, заполнить просушенным древесным углем. Затем стакан закрывают крышкой во избежание всплытия угля и опускают на дно соляной ванной. С течением времени количество языков пламени постепенно уменьшается. По сути, чем больше таких раскислений приходится на одно изделие, тем лучше будет защита от обезуглероживания.

Необходимо периодически проверять степень раскисления. Для этого берут обычное стальное лезвие и кладут его на 5-7 минут в ванну. Если оно будет ломаться, а не гнуться, то ванна считается достаточно раскисленной. Стоит заметить, что некоторые виды закалки стали не нуждаются в выполнении подобных мероприятий.

Охлаждающие жидкости

Несложно догадаться, что в качестве основной жидкости для охлаждения стальных изделий используют воду. При этом, добавляя соль или мыло, можно изменять скорость охлаждения детали. Были зарегистрированы случаи, когда закалочный бак использовался не по назначению, скажем для мытья рук. Количество попавшего мыла было достаточно для того, чтобы процесс охлаждения прошел не так, и изделие не получило требуемых свойств.

Чтобы деталь охлаждалась равномерно по всей поверхности, температура в баке не должна быть меньше 20 и выше 30 градусов. Кроме того, нельзя использовать проточную воду. Есть существенные недостатки такого охлаждения, которые заключаются в растрескивании и короблении изделия. Поэтому водяное охлаждение чаще всего используют для несложных неответственных деталей и инструментов, или имеющих цементированное покрытие. Под водяным охлаждением проходит закалка углеродистой стали.

Охлаждение конструкционной и легированной стали

Конструкционная сталь более качественная, а большая часть изделий имеет сложную конфигурацию. Для охлаждения используют 50% раствор каустической соды, которую предварительно разогревают до температуры 50-60 градусов. После закалки в таком растворе детали будут иметь светлый цвет, что говорит о том, что технология была соблюдена. Важно не перегреть раствор каустической соды выше 60 градусов.

Легированная сталь закаляется в минеральном масле. Это же касается и очень тонких изделий из углеродистой стали, например кромок режущих инструментов. Ключевой особенностью данного метода является то, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла. Так, процесс будет протекать одинаково как при 20, так и при 120 градусах.

О температуре отпуска

Структура стали после закалки может несколько отличаться, в зависимости от выбранной температуры отпуска. Но нужно понимать, что температура должна выбираться в зависимости от марки стали. К примеру, если нужно получить изделие твердостью 60 HRC, то отпуск проводят при температуре не выше 200 градусов. В этом случае замечается небольшое снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений. А вот быстрорежущая сталь должна отпускаться при температуре не ниже 540 градусов. При этом можно говорить о существенном увеличении твердости изделия.

Заключение

Температура закалки стали никогда не должна превышать 1 300 градусов, что считается критическим порогом. Цвет изделия при достижении этой точки будет белый, а нормальный – обычно красный или малиновый. Минимальная температура закалки стальных деталей 550 градусов. При этом изделие будет ярко-красного цвета.

Кстати, стоит заметить, что закалка нержавеющей стали проходит под температурой в 1050-1080 градусов в воде. Механические свойства изделия по окончании процесса характеризуются тем, что несколько понижается прочность и твердость, но значительно увеличивается пластичность и вязкость. На этом можно заканчивать разговор на данную тему. Как вы видите, для получения необходимых механических свойств, важно соблюдать технологию, ведь малейшие отклонения приводят к нежелательным результатам. В случае если все будет сделано правильно, пусть даже в домашних условиях, вы заметите существенные изменения в положительную сторону.

способы и технологии. Закалка металлов :: SYL.ru

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.

Объяснение закалки стали

| Xometry Europe

Сталь — один из самых важных и знаковых металлов на Земле. Из комбинации железа и углерода возник прочный, универсальный и широко используемый сплав. От зданий, инфраструктуры, водных судов, автомобилей, машин, бытовой техники до простой посуды, такой как вилки и ложки, его применениям, кажется, нет предела. Это связано с многочисленными желательными свойствами, которыми обладает сталь. Одно из этих свойств — твердость, способность материала противостоять деформации, вызванной вдавливанием, ударами или истиранием.Однако естественной твердости стали не всегда достаточно для конкретных инженерных приложений, таких как несущие конструкции и детали двигателя. Вот почему были разработаны методы значительного увеличения твердости наряду с другими свойствами стали. Эти методы известны как закалка стали.

Закалка стали обычно проводится на готовой продукции, а не на сырье. При обработке с ЧПУ закалка стали — это процесс последующей обработки, выполняемый на обработанных деталях.Это делается по ряду причин. Во-первых, закалка целого стального блока неэкономична, так как большая ее часть будет удалена в процессе обработки. Кроме того, закаленную сталь гораздо труднее обрабатывать, поскольку твердость заготовки затрудняет проникновение инструмента.

Внутренние конструкции из стали и их твердость

Не все стали, которые мы видим, имеют одинаковый состав. Точнее, есть разные составы стали для разных целей.Разница в стали сводится к их внутреннему устройству. По мере роста потребности в более прочных несущих металлах возникла необходимость в закалке стали. Сталь в своей основной форме имеет относительно небольшую прочность и твердость. Однако модификация его внутренней структуры дает впечатляющие результаты по прочности и твердости. Закалка стали просто включает процессы, направленные на формирование одной внутренней структуры по сравнению с другой. Внутренние конструкции из стали включают:

Мартенсит

Это самая твердая форма внутренней кристаллической структуры стали.Быстрое охлаждение аустенитного железа образует мартенсит. Из-за высокой скорости охлаждения углерод задерживается в твердом растворе, вызывая затвердевание детали. Он очень твердый и хрупкий. Мартенсит имеет игольчатую микроструктуру, которая выглядит как линзовидные пластинки или пластинки, которые делят и разделяют зерна исходной фазы, всегда соприкасаясь, но никогда не пересекая друг друга. Эта структура встречается во многих системах сплавов, включая Fe-C, Fe-Ni-C.

Аустенит

Аустенит — следующая по твердости внутренняя структура стали после мартенсита.Это относится к сплавам железа, в которых железо является гамма-железом. Обычно это происходит ниже 1500ºC и выше 723ºC.

Перлит

Перлит отличается от мартенсита, так как перлитная структура образуется в результате медленного охлаждения. Это пластинчатое расположение феррита и цементита. При 723ºC гамма-железо трансформируется из структуры ГЦК в альфа-железо, вытесняя карбид железа (цементит) из раствора.

Способы упрочнения стали

Существуют различные методы закалки стали.Эти методы могут быть термическими, механическими, химическими или сочетанием двух или более из них. Процессы термического упрочнения являются наиболее распространенными методами упрочнения стали. Обычно они включают три основных этапа: нагрев стали, выдержку ее при определенной температуре и охлаждение. Первый этап обычно включает нагрев металла до очень высокой температуры, достаточной для того, чтобы вызвать структурные изменения внутри. Это также упрощает работу с металлом, например изменение его формы. Различные методы закалки стали:

Холодная обработка

Холодная обработка обычно изменяет свойства стали или металлов.Этот метод закалки стали представляет собой просто деформацию металла при температуре ниже его точки плавления. Такие свойства, как предел текучести, предел прочности на разрыв и твердость, увеличиваются, а пластичность и способность материала к деформации уменьшаются. Деформационное упрочнение, возникающее в результате накопления и перепутывания дислокаций во время пластической деформации, является важным способом упрочнения элементов. Хотя около 90% энергии во время холодной обработки рассеивается в виде тепла, оставшаяся часть накапливается в кристаллической решетке, тем самым увеличивая ее внутреннюю энергию.

Упрочнение легированием твердым раствором

Закалка на твердый раствор — это добавление легирующего элемента к основному металлу для создания твердого раствора. После затвердевания металл затвердевает из-за присутствия атомов сплава в кристаллической решетке основного металла. Разница в размерах между атомами растворенного вещества и растворителя влияет на эффективность растворения твердого вещества. Если атом растворенного вещества больше атома растворителя, возникают поля деформации сжатия.С другой стороны, если атом растворителя больше, чем атомы растворенного вещества, возникают поля деформации растяжения. Атомы растворенных веществ, которые искажают решетку в тетрагональную структуру, вызывают быстрое затвердевание. Наглядный пример — влияние цементита на сталь.

Закалка и отпуск

При закалке, также называемой мартенситным превращением, сталь нагревают выше критической температуры до диапазона аустенита, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают или, что чаще, закаливают в воде, масле или расплаве соли.Для доэвтектоидных сталей температура нагрева на 30-50ºC выше предела линии растворимости аустенита. Для заэвтектоидных сталей температура выше температуры эвтектоида. Закалка вызывает мартенситное превращение, которое значительно упрочняет сталь. Однако закаленная сталь очень хрупкая. Поэтому для снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости необходимо проводить отпуск. Максимальная твердость достигается, когда скорость охлаждения при закалке достаточно высока, чтобы обеспечить полное мартенситное превращение

Поверхностная закалка

Как следует из названия, поверхностная закалка создает твердую поверхность, необходимую для противодействия износу в таких областях применения, как коленчатые валы, подшипники и т.п.Этот метод закалки стали обычно включает один из трех подходов:

Индукционная закалка и закалка пламенем

Это дифференциальная термообработка поверхности. Поверхность быстро нагревается, чтобы не повредить центр материала. Затем материал подвергается гораздо более быстрой закалке. Таким образом, на поверхности образуется высокий уровень мартенсита.

Диффузионное упрочнение (азотирование)

Это включает изменение состава поверхностной зоны.Мелкие частицы диспергируются, позволяя выбранным газам вступать в реакцию со сталью и диффундировать в нее. В этом процессе сталь подвергается термообработке для получения отпущенной мартенситной структуры. Затем он выдерживается в атмосфере аммиака при температуре около 550 ° C в течение 12-36 часов. Небольшие легирующие элементы, такие как Al или Cr , усиливают образование тонкой дисперсии нитридов, что значительно увеличивает твердость поверхности и износостойкость. Этот состав нитридов намного превосходит мартенсит по твердости.

Науглероживание

Это включает воздействие на сталь углеродистой атмосферы при высокой температуре. Углеродистая атмосфера может создаваться из высококачественного угля или диссоциированного природного газа. Атомы углерода диффундируют в поверхность металла, что приводит к образованию высокоуглеродистой оболочки, которая после последующей закалки создает твердую износостойкую мартенситную поверхность.

Испытания на твердость стали

Твердость не имеет одной конкретной единицы измерения.Скорее, это описывается с помощью порядковых номеров. Существуют различные тесты на твердость, и индекс, используемый для описания твердости материала, зависит от используемого теста. Некоторые общие тесты на твердость:

Испытание на твердость по Бринеллю

В этом испытании стальной шарик известного диаметра применяется в качестве нагрузки к поверхности материала. Затем рассчитывается число твердости по Бринеллю (BHN) по формуле, приведенной в таблице ниже. Измеряется диаметр полученного слепка; вместе с диаметром стального шара рассчитывается BHN.

Испытание на твердость по Виккерсу

В испытании на твердость по Виккерсу алмазная пирамида с квадратным основанием является нагрузкой. Эта нагрузка прикладывается к поверхности материала примерно на 30 секунд. Площадь пирамидального отпечатка рассчитывается, а затем используется для расчета твердости металла.

Испытание на микротвердость по Кнупу

Этот тест на твердость предназначен специально для тонких листов или очень хрупких материалов. Пирамидальный ромбовидный острие создает на материале очень маленькое углубление.Далее сделанное вдавливание изучается под микроскопом и используется для расчета твердости материала.

Испытание на твердость по Роквеллу

Твердость по Роквеллу была разработана для измерения разницы в твердости стали до и после термообработки. Пенетратором может быть стальной шарик или алмазный сфероконический пенетратор. Твердость измеряется путем определения глубины проникновения в материал. Обычно применяются две нагрузки. Незначительная нагрузка создает первое впечатление, а большая нагрузка вызывает основное проникновение.

Тест	Индентор
Бринелль	10-миллиметровая сфера из стали или карбида вольфрама
Виккерса
Алмазная пирамида	Алмазная пирамида		Алмазная пирамида
Алмазный конус

Марки стали, поддающиеся закалке

Американский институт чугуна и стали (AISI) делит сталь на четыре основные группы:

1. Углеродистая сталь
2. Легированные стали
3. Нержавеющие стали
4. Инструментальные стали

Основными элементами стали являются железо и углерод.Однако различные количества углерода и других легирующих элементов определяют свойства каждой марки. Содержание углерода в любой стали определяет ее прокаливаемость, а также максимально достижимую твердость. Это особенно верно для закалки, поскольку углерод способствует образованию мартенсита.

Углеродистая сталь (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Углеродистые стали — это сплавы железа, содержащие до 2% углерода. Они часто содержат следовые количества легирующих элементов, улучшающих определенные свойства.В зависимости от фактического количества содержащегося углерода углеродистая сталь может быть дополнительно классифицирована как низкоуглеродистая сталь, среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь.

Низкоуглеродистая сталь

Также известная как мягкая сталь, она содержит 0,08–0,35% углерода. Из-за низкого содержания углерода низкоуглеродистые стали не подвергаются закалке при закалке. Однако их можно упрочнить путем цементирования.

Сталь среднеуглеродистая

Эти стали содержат 0.35% — 0,5% углерода. Они прочнее, чем низкоуглеродистые стали, но с ними труднее работать. Среднеуглеродистые стали легко подвергаются закалке. При легировании со следами марганца их прокаливаемость увеличивается. Среднеуглеродистые стали также закалены для применений, где критична износостойкость, например, в коленчатых валах.

Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистые стали содержат более 0,5% углерода. Эти стали хорошо закаливаются из-за высокого содержания углерода.Обычно они затвердевают путем закалки. Однако это делает их довольно хрупкими, поэтому требуется отпуск.

Легированные стали (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Помимо содержания углерода, химический состав является еще одним фактором, влияющим на прокаливаемость сталей. Легированные стали содержат различные количества меди, никеля, марганца, бора и ванадия. Эти стали хорошо поддаются закалке. Это связано с тем, что легирующие элементы задерживают разложение аустенита, таким образом, легко образуя мартенсит в легированных сталях.Закалка твердого раствора также является эффективным и распространенным способом закалки легированных сталей.

Нержавеющая сталь (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Нержавеющие стали — это стали, содержащие от 10 до 20% хрома в качестве основного легирующего элемента. Они очень устойчивы к коррозии и эрозии. По структуре и составу нержавеющие стали классифицируются как:

.

Аустенитный

Аустенитные стали обычно содержат железо, 18% хрома, 8% никеля и менее 0%.8% углерода. Это наиболее широко используемый тип нержавеющих сталей. Аустенитные стали немагнитны и не подвергаются термообработке. Однако они легко затвердевают в результате холодной обработки.

Ферритный

Эти стали обычно содержат менее 0,1% углерода, 12-17% хрома и следовые количества никеля. Ферритные стали являются магнитными, но их нельзя упрочнить путем термической обработки. Холодная обработка — эффективный метод их закалки.

Мартенситный

Из-за своей внутренней структуры мартенситные стали довольно твердые.Эти стали содержат до 1,2% углерода помимо 12-17% хрома. Из-за относительно высокого содержания углерода мартенситные стали легко подвергаются закалке при термической обработке.

Дуплекс

Дуплексные стали имеют как ферритную, так и аустенитную микроструктуру. Эти стали упрочняются путем термической обработки или поверхностного упрочнения.

Осадочное твердение

Стали с дисперсионной закалкой — это нержавеющие стали, содержащие хром, никель и другие легирующие элементы, такие как медь, алюминий и титан.Эти легирующие элементы позволяют нержавеющей стали подвергаться упрочнению путем термообработки на твердый раствор и старения. Они могут быть аустенитными или мартенситными.

Инструментальные стали (UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Как следует из названия, инструментальная сталь регулярно используется при производстве таких инструментов, как режущие и сверлильные инструменты. Обычно они содержат вольфрам, кобальт, ванадий и молибден. Эти инструменты можно закалить путем холодной обработки, а также путем термической обработки, например закалки.

Типы сталей и наиболее подходящий метод их закалки

Низкоуглеродистая сталь 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011

Упрочнение | Процесс поверхностного упрочнения

Процесс поверхностного упрочнения

Существует множество процессов для изменения свойств стальных инструментов, таких как отпуск стали, закалка в масле, дисперсионное упрочнение и т. Д. Но когда дело доходит до долговечности, цементирование (также иногда называемое поверхностным упрочнением ) является одним из самых эффективных. Процесс поверхностного упрочнения добавляет тонкий слой металлического сплава на внешнюю поверхность металла. Этот процесс может минимизировать износ и увеличить прочность поверхности стальных деталей.Давайте посмотрим на несколько методов, используемых при термообработке стали.

Способы закалки

Прежде чем взглянуть на преимущества, уделите немного времени рассмотрению различных способов закалки стали. Чтобы преобразовать вашу сталь таким образом, есть несколько вариантов:

• Науглероживание (введение углерода)

• Азотирование (с использованием газа, богатого азотом, например, аммиака)

Каждый из этих методов следует выбирать в зависимости от ваших предпочтений. будет использовать вашу сталь для того, нужно ли закалить всю деталь или ее часть, а также для определения общего размера и формы вашего изделия.Независимо от того, какой метод вы выберете, ваши стальные детали будут иметь более длительный срок службы и большую универсальность после обработки.

Закаленная сталь служит дольше

Дополнительная прочность, обеспечиваемая закалкой стали, обеспечивает прочный внешний слой (называемый корпусом), при этом внутренняя сердцевина (глубина корпуса) остается достаточно мягкой, чтобы поглощать удары. Это может увеличить срок службы вашего объекта, что означает меньшие затраты на замену и обслуживание. Это также полезно, если вы продаете товары из закаленной стали, потому что ваши клиенты будут доверять долговечности вашего продукта.

Преимущества цементирования

Не все металлы созданы равными. Некоторые металлы прочные и прочные, другие гораздо более пластичны и менее долговечны. Стальные детали часто требуют обработки для получения максимальной прочности и долговечности. Мы можем изменять механические свойства металлов в процессе производства.

В этом процессе металлическая поверхность усиливается за счет добавления тонкого слоя другого металлического сплава, который увеличивает прочность и твердость.Иногда этот процесс называют поверхностным упрочнением. Он имеет множество применений, таких как производство кухонной утвари, усиление металлических балок и повышение функциональности огнестрельного оружия. Процесс закалки металлического каркаса дает множество преимуществ.

Есть много типов процессов цементации. Какой из них будет использоваться, будет определяться металлами, используемыми в производстве, и желаемыми свойствами готового продукта.

Науглероживание

При науглероживании твердость поверхности стали повышается за счет добавления углерода в компонент.Компонент, который требует закалки, нагревается до 9000 ° C и подвергается воздействию углеродной среды. Углерод проникает в поверхность металла и укрепляет ее. Используемый агент может быть твердым, жидким или газообразным. Первоначальные инвестиционные затраты обычно выше, чем у других процессов. При науглероживании жидкостью трудно контролировать глубину твердости, и она может быть неоднородной по всему объекту. Этот процесс должен осуществляться в контролируемой среде, чтобы предотвратить присутствие кислорода в процессе, который изменяет результат закалки металла.Процессы частичного вакуума сокращают необходимое время и обеспечивают несколько экономических преимуществ упрочнения цемента.

Газовое азотирование

В этом процессе материал нагревается примерно до 5500 ° C, а затем подвергается воздействию атомарного азота, который может проникнуть в сталь или железо. Атомарный азот вступает в реакцию с металлом, повышая его твердость и сопротивление. Этот процесс обеспечивает высокую твердость, но не может использоваться со всеми легированными сталями.

После этого процесса могут возникнуть дополнительные производственные затраты в виде дорогостоящего процесса шлифования для удаления тонкого белого слоя, который образуется на поверхности.Однако нет никаких других тепловых процессов, следующих за азотированием, что означает меньшую деформацию объекта.

---

Преимущества упрочнения

Объекты, которые должны иметь твердую внешнюю поверхность, чтобы выдерживать износ и истирание, сохраняя при этом мягкую внутреннюю поверхность, чтобы выдерживать удары, выигрывают от этого процесса. Преимущества цементировочной закалки:

• Создание более прочного продукта
• Повышает износостойкость металла
• Увеличивает срок службы объектов
• Упрочнение или поверхностное упрочнение облегчает сварку стали
• Металл более гибкий
• Сталь жестче и прочнее

Хотя этот процесс может быть полезным во многих отраслях промышленности, для получения правильного результата необходимо использовать правильный процесс.Цементная закалка несовместима со сваркой.

Важно работать с опытными инженерами, которые понимают этот процесс, чтобы добиться желаемого эффекта для вашего конечного продукта. Когда вам нужны решения, которые касаются этой проблемы, убедитесь, что это сделано правильно с первого раза и правильно применяется, чтобы сэкономить деньги в будущем.

Последующие закалки

Последующие закалки, такие как эти, повышают прочность и износостойкость за счет диффузии углерода на поверхность стальных деталей с помощью ряда различных методов.Это создает оболочку вокруг материала, сохраняя при этом значительно меньшую твердость внутри сердечника.

Компания SST является экспертом в области термообработки низкоуглеродистой стали, индукционной закалки, закалки в пламени и металлургии сталей. Эти сложные процессы применяются к деталям из низкоуглеродистой стали после механической обработки, а также к подшипникам, зубчатым колесам и другим важным компонентам из высоколегированной стали. Узнайте больше о том, как термообработка с помощью нашего Case Application может принести пользу вашему бизнесу.

Узнайте, что еще может сделать для вас закалка металла

Если вы хотите закалить небольшие стальные инструменты или хотите повысить долговечность большого и сложного оборудования, Specialty Steel Treating, Inc.имеет опыт, чтобы выполнить свою работу. Свяжитесь с нами по телефону 586-293-5355 для получения дополнительной информации или запроса предложения.

.

Закалка стали

Закалка стали достигается подходящей закалкой от в пределах или выше критического диапазона. Температуры — это такие же, как и для полного отжига. Время выдержки в воздушных печах должно быть 1,2 мин на каждый мм поперечного сечения или 0,6 мин в солевые или свинцовые ванны. Неравномерный нагрев, перегрев и чрезмерное образование накипи следует избегать.

Закалка необходима для подавления нормального пробоя аустенит на феррит и цементит, и вызвать частичное разложение при такой низкой температуре для получения мартенсита.Для этого стали требуется критическая скорость охлаждения , которая значительно снижается на наличие легирующих элементов, которые вызывают упрочнение мягкая закалка (например, масло и закаленные стали).

Стали с содержанием углерода менее 0,3% не поддаются эффективной закалке, в то время как максимальный эффект достигается около 0,7% за счет повышенного тенденция к удержанию аустенита в высокоуглеродистых сталях Рис. 1.

Рисунок 1.Вариация твердости мартенсита и бейнита с содержанием углерода

Вода — одна из самых эффективных закалочных сред, где требуется максимальная твердость, но она может вызвать деформацию и взлом статьи. Где твердостью можно пожертвовать, кит, хлопок используются семена и минеральные масла. Они склонны к окислению и образованию шлама с последующее снижение эффективности.

Скорость закалки масла намного меньше, чем у воды.Феррит и троостит образуются даже на небольших участках. Средний соотношение воды и масла может быть получено с водой, содержащей 10-30% Ucon, вещество с обратной растворимостью, которое оседает на объект с низкой скоростью охлаждения. Чтобы минимизировать искажения, длинные закалку цилиндрических предметов следует производить по вертикали, плоские участки — по бокам и толстые секции должны попасть в ванну первыми. Для предотвращения образования пузырьков пара образуя мягкие пятна, необходимо взболтать водную баню для закалки.

Полностью закаленная и отпущенная сталь развивает лучшие сочетание прочности и пластичности.

Закалка и закалка

Мартенсит закаленной инструментальной стали чрезвычайно хрупкий. и сильно подчеркнуты. Следовательно, растрескивание и искажение объекта могут возникнуть после закалки. Остаточный аустенит нестабилен и как он меняет размеры, может изменяться, например матрицы могут изменяться на 0,012 мм.

Следовательно, необходимо нагреть сталь под критический диапазон, чтобы снять напряжение и позволить задержанным Происходит реакция осаждения цементита.Это известно как закалка .

• 150-250 ° С. Нагревают объект в масляной ванне, сразу после закалки, чтобы предотвратить растрескивание, уменьшить внутреннее напряжение и разложение аустенита без особого смягчение.

• 200-450 ° С. Используется для упрочнения стали за счет твердость. Твердость по Бринеллю 350-450.

• 450-700 ° С.Осажденный цементит сливается в большие массы и сталь становится мягче. Структура известна как сорбит, который при более высоких температурах становится крупно сфероидизированным. Он травится медленнее, чем троостит, и его твердость по Бринеллю составляет 220-350. Сорбит обычно используется в термообработанных конструкционных материалах. стали, такие как оси, валы и коленчатые валы, подверженные динамическим стрессы. Закалка и отпуск при этой температуре диапазон часто называют упрочнением, и он дает увеличение отношения предела упругости к пределу прочности при растяжении прочность.

Реакции при отпуске протекают медленно. Время реакции как ну и температура нагрева важна. Закалка проводится до в большей степени под пирометрическим контролем в нефти, соли (например, равная частей нитратов натрия и калия на 200-600 ° C) или свинцовых ванн, а также в печах, в которых воздух циркулирует вентиляторами. После закалки объекты могут охлаждаться как быстро, так и медленно, за исключением стали восприимчив к отпускной хрупкости.

Темперные краски, сформированные на очищенной поверхности, все еще используются иногда в качестве ориентира для определения температуры. Они существуют из-за вмешательства эффекты тонких пленок оксида, образовавшихся при отпуске, и они действуют аналогично масляным пленкам на воде. Сплавы, такие как форма из нержавеющей стали более тонкие пленки, чем углеродистые стали для данной температуры и, следовательно, производят цвет ниже в серии. Например, бледная солома соответствует до 300 ° C вместо 230 ° C (Таблица 1).

Таблица 1.

Тип стали

Закалка или старение

Цементационная закалка

Упрочнение раствором

Холодная обработка

Сталь среднеуглеродистая

✔

✔

Высокоуглеродистая сталь

✔

9011

9011 9011

9011

9011 9011

9011 9011 9011

9011

9011

Ферритная сталь

✔

Мартенситная сталь

✔

9011 9011 9011 9011 ✔ Дуплексная сталь

9011 9011 ✔ Дуплексная сталь

9011 9011 9011 армирующая сталь

✔

Легированная сталь

✔

✔

Инструментальная сталь

Цвет закалки	Температура ° C	Объекты
Светлая солома	230	Строгальные и долбежные инструменты
Темная солома	240	Фрезы, сверла
Коричневый	250	Метчики, лезвия ножниц по металлу
Коричнево-пурпурный	260	Пуансоны, чашки, кнопки, спиральные сверла, развертки
Фиолетовый	270	Прессы, оси
Темно-фиолетовый	280	Долота, комплекты для стали
Синий	300	Пилы по дереву, пружины
Синий	450-650	Упрочнение конструкционных сталей

Для токарных, строгальных, формовочных инструментов и стамески, в закалке нуждаются только режущие части.Это часто переносится на инженерные работы путем нагрева инструмента до 730 ° C с последующим закалка режущего конца вертикально. Когда режущий конец остывает, он очищается камнем и допускается нагрев хвостовика инструмента закалить режущую кромку до нужного цвета. Тогда весь инструмент погашен. Окисление можно уменьшить, покрыв инструмент древесным углем и масло.

Изменения при отпуске

Принципы отпуска закаленных сталей имеют близкое сходство с дисперсионным твердением.В перекрывающиеся изменения, которые происходят при отпуске высокоуглеродистого мартенсита, показаны на рис.2 и выглядят следующим образом:

• Этап 1. 50-200 ° С. Мартенситные разрывы вплоть до переходного осадка, известного как c-карбид (Fe2,4C), поперек двойники и мартенсит с низким содержанием углерода, что приводит к небольшому диспергированию упрочнение, уменьшение объема и электрического сопротивления.

• Этап 2. 205-305 ° С. Разложение остаточный аустенит до бейнита и снижение твердости.

• Этап 3. 250-500 ° С. Преобразование агрегат низкоуглеродистого мартенсита и с-карбида в феррит и цементит осаждается вдоль двойников, который постепенно укрупняется с образованием видимые частицы и быстрое размягчение, рис. 3.

• Этап 4. Карбидные изменения в легированной стали при 400-700 ° С. В сталях, содержащих одну легирующую добавку, цементит сначала образуется, и сплав диффундирует к нему. При достаточном обогащении Fe3C превращается в карбид сплава. После дальнейшего обогащения это карбид может быть заменен другим, и это образование перехода карбиды могут повторяться несколько раз до равновесного карбида формы. В хромистой стали внесены следующие изменения: Fe3C®Cr7C3®Cr23C6.В стали содержащих несколько карбидообразующих элементов, реакции часто более сложный, и карбиды, которые разлагаются, не обязательно следуют карбидами на основе тех же легирующих элементов. Преобразование может также происходят на месте путем постепенного обмена атомами без каких-либо заметных закаливание; или путем разделения существующих карбидов железа и свежих зарождение когерентного карбида со значительным упрочнением, противодействует нормальному размягчению, которое происходит во время отпуска.В некоторых легированных сталей, поэтому твердость поддерживается постоянной примерно до 500 ° C или в некоторых случаях повышается до пика с последующим постепенным падением к нарушению когерентности и коалесценции частиц карбида. Эта процесс старения, известный как вторичное упрочнение, усиливает свойства ползучести стали при высоких температурах (например, сталь E на рис. 2). Хром, например, стабилизирует размер цементита. частицы в диапазоне 200-500 ° C.Ванадий и молибден образуют штраф дисперсия когерентных осадков (V ₄ C ₃ Mo ₂ C) в ферритовой матрице с значительное затвердевание. Когда старение начинает V ₄ C ₃ растет по границам зерен и также образует видманштеттеновский узор из пластин внутри волокон.

Рисунок 2 Кривые темперирования для стали 0,35% C и штампа сталь

a) После закалки.Рейки с повышенной плотностью вывиха	б) Закалка 300 ° C. Видманштеттенское выделение карбидов внутри планок
c) Закалка до 500 ° C. Восстановление дислокационной структуры в клетки с планками	г) Закалка 600 ° C. Рекристаллизация Цементит повторно зародышевый Равноосные ферритовые границы
e) Двойниковый мартенсит с высоким содержанием углерода	f) Закалка 100 ° C.Мелкие электронные карбиды поперек двойников
г) Закалка 200 ° C. Связный цементит по двойникам. c-карбиды растворить	ч) Закалка 400 ° C. Разрушение двойниковой структуры. Карбиды растут и сфероидальной формы

Рис. 3. Низкоуглеродистые реечные мартенситы имеют высокую температуру Ms и при охлаждении часто происходит некоторый отпуск, то есть самотемперинг.

Отпуск при 300 ° C вызывает выделение карбидов внутри планки в форме Видманштеттена (рис.3). Закалка при 500 ° C способствует восстановление клубка дислокаций в ячейки внутри реек с карбиды выделялись по границам. Отпуск при 600 ° C дает рекристаллизация в равноосный феррит с повторным зарождением карбидов на границы.

Закалочные трещины

Объемные изменения, возникающие при охлаждении аустенита, являются: а) расширение при превращении гамма-железа в феррит; б) сжатие при выпадении цементита в осадок; в) нормальное тепловое сжатие.

При закалке стали эти изменения объема происходят очень сильно. быстро и неравномерно по всему экземпляру. Снаружи больше всего остывает быстро, и в основном мартенситный, при котором сокращение (b) не произошло. Очаг может быть трооститом и началось сокращение (б).

Возникают напряжения, которые могут вызвать деформацию металла. деформировать или треснуть, если пластичность недостаточна для пластического течения происходят. Такие трещины могут появиться через некоторое время после закалки или в начале стадии отпуска.

Трещины от закалки могут возникать:
a) из-за наличия неметаллические включения, цементитные массы и др .;
б) когда аустенит крупнозернистый из-за высокой температуры закалки;
в) вследствие неравномерного закалка;
г) в кусках неправильного сечения и при резком втягивании углы присутствуют в конструкции.

Отношение дизайна к термообработке очень важный.Особого ухода требуют изделия нестандартного сечения. Когда сталь было выбрано, которое требует закалки водой, тогда дизайнер должен использовать должны быть нацелены большие галтели в углах и однородное сечение. Иногда это можно получить, высверлив металл из громоздких деталей. без существенного влияния на дизайн; примеры приведены на рис. 4.

Отверстие, просверленное сбоку до центрального отверстия, может вызвать растрескивание, и его следует просверлить насквозь и временно забиты асбестовой ватой при термообработке.Трещина также образуют на стыке твердой шестерни с валом. Есть серьезный опасность появления трещин у корней зубов из-за сильного изменения размер раздела. Эту конструкцию можно улучшить, удалив металл. под ободом, чтобы сечение было однородной массы.

Рис. 4. Связь конструкции с термообработкой

Основы термической обработки

Термическая обработка стали включает изменение аустенита, а гранецентрированная кубическая решетка железа, содержащая атомы углерода в пустот в объемноцентрированный кубический феррит с низкой растворимостью углерод.

Атомы углерода разделяются на участки с образованием цементита. Это включает подвижность или диффузию атомов углерода, а также время и температура важны. Движение атомов происходит быстро при высоких температурах но с понижением температуры становится все более вялым.

По мере увеличения скорости охлаждения аустенитизированной стали время, отведенное для изменений, сокращается, а реакции неполный при 600-700 ° С.Следовательно, остаточный аустенит трансформируется при более низкие температуры, более короткие движения атомов и более тонкие структуры. При температуре ниже 250 ° C диффузия настолько медленная, что формируется переходная структура.

Влияние быстрого охлаждения на критические точки сложный (рис. 5). Увеличение скорости охлаждения имеет следующее эффекты:

1. Низкие температуры задержания.
2. Ar3 сливается с Ar1, образующим единственную вдавленную точку, известную как Ar «.Хорошо образуется слоистый троостит.
3. Ускоренное охлаждение вызывает другое задержка появления при 350–150 ° C, известная как Ar ». Троостит и мартенсит сформированы.
4. При быстрой закалке Ar «сливается с Ar». Образуется мартенсит.
5. Задержка из-за образования бейнита. при 500-250 ° C обычно не появляется у углеродистой стали, но присутствует со многими легированными сталями.

Рисунок 5.Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита

.

Выбор методов поверхностного упрочнения | Производство режущего инструмента

Термические и механические методы могут повысить твердость поверхности детали, оставив внутреннюю пластичность.

При производстве стальной детали иногда бывает недостаточно «твердого». Может быть, это штифт, сустав или зазубрина имплантата, но некоторые участки детали, подверженные высоким нагрузкам, должны быть немного более износостойкими, чем другие.

«Причина увеличения твердости детали в том, чтобы она изнашивалась дольше и сопротивлялась вдавливанию», — пояснил Андовер, Кан.-базовый консультант и автор ЛаРу К. Гиллеспи, Ph.D. «Поверхностная закалка имеет одно преимущество перед сквозной закалкой, а именно: центр заготовки остается мягким и пластичным, поэтому заготовка не ломается. Вы получаете износостойкость, но поскольку она немного поддается, деталь прослужит дольше ».

Выбор метода избирательного поверхностного упрочнения зависит от размера, формы, материала и области применения заготовки, но есть две основные категории: термическая и механическая. При термической закалке используется тепло, иногда в сочетании с химическими веществами, для изменения структуры детали; общие методы включают индукционный нагрев и лазерную закалку.Механические методы, такие как дробеструйная обработка и лазерная обработка, используют физическую силу для сжатия поверхности и создания остаточных сжимающих напряжений, которые проникают под поверхность.

Горячий, Горячий, Горячий

Согласно Гиллеспи, индукционный нагрев является обычным явлением, но геометрия детали определяет, когда его можно использовать.

«Допустим, у вас есть цилиндр, и вы хотите укрепить небольшую часть этого цилиндра», — сказал он. «По сути, вы берете петлю из проводящего материала, обычно из меди, пропускаете цилиндр через центр петли и включаете ток в петле.Индукционные токи быстро нагревают поверхность ».

Предоставлено Titanova

При лазерной закалке металл нагревается достаточно быстро, чтобы избежать кондуктивного охлаждения при прохождении луча по поверхности.

Закалка достигается за счет быстрого охлаждения, продолжил он, которое происходит, когда нагретая часть быстро закаливается. Это изменяет молекулярную структуру материала. Если заготовку не закалить, внешняя поверхность закаляется или становится более пластичной.

Peters ’Heat Treating Inc., Эри и Мидвилль, штат Пенсильвания, предлагает несколько форм термообработки, включая индукционную закалку, науглероживание и азотирование, которые, по словам директора по производству Натана Бахурински, могут использоваться для достижения избирательного упрочнения поверхности.

«Мы много занимаемся индукционной закалкой для наших клиентов в области штамповки стали», — отметил он. «Они, очевидно, хотят, чтобы рабочий конец штампа был очень твердым и износостойким, чтобы он не деформировался, но в то же время они хотят, чтобы задний конец имел возможность немного расширяться, чтобы поглотить некоторые воздействия.”

Для достижения этих целей компания закаляет всю деталь в соответствии со спецификациями заказчика, а затем использует индукционную катушку для закалки заднего конца примерно на 20 пунктов HRC ниже, чем остальная часть штампа.

Науглероживание — это процесс глубокого упрочнения, который проникает от 0,030 дюйма (0,762 мм) до 0,060 дюйма (1,524 мм), пояснил Бахуринский. В процессе этого процесса в корпус вводится дополнительный углерод за счет нагрева примерно до 1700 ° F (927 ° C) с последующей закалкой в ​​масле. Этот процесс приводит к твердому износу поверхности, но отпуск приводит к некоторой деформации, требующей дополнительной чистовой обработки.

Предоставлено Titanova

При лазерной упрочнении используется импульсный свет для создания взрывов на поверхности детали (справа). Преимущество заключается в том, что остаточные сжимающие напряжения проникают глубже в материал, чем это возможно при дробеструйной обработке. Вода (слева) применяется к обрабатываемому участку для увеличения ударного давления, создаваемого взрывом.

Азотирование, с другой стороны, представляет собой метод поверхностного упрочнения, проникающий от 0,003 дюйма (0,0762 мм) до 0,012 дюйма (0,01 дюйма).3048 мм) и достигается при 1000 ° F (538 ° C). По его словам, это может сделать деталь чрезвычайно твердой с минимальной деформацией. Результат достигается за счет диффузии азота на поверхность металла тремя различными способами: газом, соляной ванной и плазмой. При газовом азотировании нагретая деталь подвергается воздействию богатого азотом газа, обычно аммиака, который диффундирует на поверхность, образуя слой нитрида. При азотировании в соляной ванне используется раствор азотсодержащей соли, такой как цианистая соль, а при плазменном азотировании используется интенсивное электрическое поле для ионизации газа, обычно чистого азота.

В течение последних 8 лет Peters ‘предлагала Nitreg, запатентованную систему газового азотирования, которая обеспечивает более высокую степень контроля процесса, чем метод соляной ванны, и при более низкой стоимости, чем метод плазмы. При науглероживании или азотировании деталь подвергается воздействию газа. Краска наносится на участки детали, чтобы блокировать контакт газа с металлом, предотвращая реакцию и позволяя газу выборочно упрочнять участки детали, не покрытые краской.

По словам Бахуринского, лучший метод выборочного поверхностного упрочнения зависит от того, для чего будет использоваться деталь.«Азотирование, например, может создать хрупкую поверхность, но оно обеспечивает очень высокую твердость, поэтому лучше всего оно работает, когда у вас высокая базовая твердость материала, а затем вы можете закончить деталь азотированием, если дальнейшая обработка не требуется. сделанный. Таким образом, вы получите чрезвычайно твердую поверхность с твердостью до 65 HRC на детали, которая уже достаточно упруга. Науглероживание хорошо подходит для более глубоких гильз, но при этом остается более гибкая сердцевина, чем при закалке, поэтому вы получаете твердость с внешней стороны от 58 до 60 HRC, пробегая пару тысяч.глубоко, и деталь скорее согнется, чем сломается под давлением ».

Точность лазера

При лазерной закалке также используются термические принципы для достижения желаемой твердости поверхности, но этот процесс сильно отличается от традиционной термообработки. Во-первых, лазер чрезвычайно локализован — затрагивается только область, покрытая лучом, — и процесс основан не на увеличении содержания углерода, а на изменении кристаллической структуры металлов с феррита на гораздо более твердый мартенсит.

«Преимущество лазера в том, что вы можете закаливать именно там, где хотите, и вы можете контролировать выход энергии, чтобы достичь именно того случая, который вам нужен для данного приложения», — сказал Джон Хаак, президент и основатель Titanova Inc. «Это дает вам максимальный контроль над деформацией из всех методов поверхностного упрочнения. При любом процессе термообработки всегда есть искажения, но при использовании лазеров вы не только добьетесь минимально возможного искажения, но и получите одинаковое искажение для каждой детали в партии, что означает, что вы можете учитывать искажение при проектировании детали.”

Компания из Сент-Чарльза, штат Миссури, использует мощные диодные лазеры, как прямые, так и связанные с волокном, для термообработки деталей. По словам Хааке, лазер нагревает поверхность металла так быстро, что препятствует кондуктивному охлаждению. «Если мы работаем с углеродистой сталью, происходит то, что мы нагреваем металл быстрее, чем он может остыть, пока вы не достигнете аустенитной температуры. Таким образом, луч поднимает температуру поверхности примерно до 1800 ° F, и когда луч проходит над областью, внезапно вступает в силу кондуктивное охлаждение, которое гасит эту область.”

Lasers также может работать с корпусами размером от 0,010 дюйма (0,254 мм) до 0,100 дюйма (2,54 мм) и работать со сложной геометрией; вместо того, чтобы создавать новую индукционную катушку для каждой новой формы, оператор просто перепрограммирует машину. Однако точность лазеров может быть палкой о двух концах из-за состояния, называемого вспыльчивостью.

«Допустим, вы обрабатываете стержень термически», — сказал Хаак. «С помощью индукции вы можете просто пропустить всю деталь через катушку, и это приведет к упрочнению всей поверхности, но лазерный луч имеет конечную ширину, а это означает, что вам нужно будет двигаться по спирали по длине стержня, создавая несколько путей.Когда это происходит, вы снова закаляете небольшую ширину самого последнего пути спирали, где эти два пути перекрываются ».

Если деталь начинается с 30 HRC, продолжил Хаак, и закаляется лазером до 60 HRC, области закалки, вероятно, будут выдерживать от 40 до 50 HRC. Он пояснил, что из-за того, что твердость все еще значительно превышает исходную, выдержка допустима примерно в 95 процентах случаев. Однако многим высоконагруженным деталям для длительного срока службы требуется одинаковая твердость по всей рабочей части.Таким образом, при выборе метода закалки важно учитывать, может ли деталь выдерживать колебания твердости.

Взрыв

С механической стороны упрочнения дробеструйное упрочнение является сильно локализованным методом.

«Самый простой способ сделать это — с помощью пескоструйной машины, где вы обдуваете заготовку мелкими частицами типа ВВ, которые вдавливают поверхность, слегка уплотняют ее и повышают твердость поверхности», — пояснил консультант Гиллеспи.«Ручные устройства, такие как игольчатые инструменты для удаления зубного камня, также могут использоваться для обработки небольших участков», — продолжил он. Эти 2 мм диаметром. стержни имеют шарообразные концы и стреляют, чтобы поразить заготовку, а затем возвращаются в устройство для повторного выстрела.

Предоставлено Progressive Technologies

Дробеструйная обработка использует физическую силу для изменения свойств материала поверхности и увеличения твердости.

«Наиболее распространенными типами абразивов для дробеструйного упрочнения и микроструйной закалки являются стеклянные шарики, керамические шарики и стальная дробь», — сказал Колин Вейтман, технический директор Бербанка, Калифорния.- производитель взрывного оборудования Comco Inc. «Стеклянные шарики не оставляют много остаточного материала на поверхности, но они разрушаются, что делает их одноразовым материалом; после первого использования вы используете битое стекло, что дает совсем другие результаты. Керамические бусины тверже стекла, а это означает, что при одинаковом ударе вы получите более высокие характеристики сжатия, и они не будут ломаться так быстро. Однако они дороги — в 5-10 раз дороже стекла — и поэтому обычно используются только при рециркуляции среды.Стальная дробь — это совершенно другая игра, метод для конкретных условий, который требует определенного уровня знаний, определенного в аэрокосмической промышленности и постановлениями федерального правительства.

Помимо упрочнения поверхности, струйная очистка подходит для очистки, текстурирования, удаления заусенцев и травления, в зависимости от типа струйной среды.

«Каждый раз, когда вы обрабатываете материал абразивом, вы передаете этому базовому материалу некоторую сжимающую силу», — сказал Вейтман. «Если это угловатая частица, такая как оксид алюминия, обязательно будет некоторое количество сжимающей силы, но упрочнение не обязательно является идеальным применением [потому что оно неэффективно].Однако, поскольку вы создаете эти сжатые слои одновременно с удалением материала, в ситуациях, когда вес или размер детали имеют большое значение, такое упрочнение дает определенные преимущества ».

Когда дробеструйная обработка просто недостаточно точна, Comco также предлагает микропескоструйную очистку, как правило, для применений, где участки детали не могут быть замаскированы из-за геометрии или из-за того, что абразив должен проникать внутрь детали, пояснил Вейтман. В то время как абразивные частицы, используемые при дробеструйном упрочнении, находятся в диапазоне от 300 мкм до 1000 мкм (0.От 0118 до 0,0394 дюйма), абразивы для микропескоструйной обработки имеют диаметр от 10 до 450 мкм (от 0,0004 до 0,0177 дюйма).

Shock (волна) и Awe

Хотя и для лазерной закалки, и для лазерной упрочнения используются лазеры высокой энергии, на этом сходство заканчивается. Лазерное упрочнение — это механический процесс, аналогичный дробеструйному упрочнению, но вместо воздействия на поверхность физической среды он использует световые импульсы, которые вызывают небольшие взрывы на поверхности детали, которые, в свою очередь, создают ударные волны, которые оставляют остаточные сжимающие напряжения до 10 раз глубже. чем оставленные дробеструйной обработкой.По словам Стэна Бовида, старшего инженера-металлурга LSP Technologies Inc., расположенной в Дублине, штат Огайо, упрочнение поверхности на самом деле является побочным преимуществом. Основная цель — создание в детали глубоких сжимающих напряжений, которые увеличивают ее усталостную долговечность.

«Лазерная обработка делает материал более устойчивым к повреждениям, чем дробеструйная обработка, потому что ударная волна проникает намного глубже, чем любой вид прямого контакта с поверхностью», — сказал Бовид. «Практически любой металлический материал выиграет от профиля остаточного напряжения после лазерной упрочнения, и профиль остаточного напряжения действительно определяет увеличение срока службы большей части.Материалы, которые плохо затвердевают, могут не улучшать твердость поверхности, но все же имеют преимущества с точки зрения общего срока службы ».

LSP использует мощный импульсный лазер на неодимовом стекле с длиной волны 1054 нм для лазерной упрочнения, но Бовид сказал, что можно использовать любой лазер, если он обладает достаточной мощностью и контролем импульсов. Однако LSP утверждает, что это единственная компания, продающая оборудование для лазерной упрочнения.

«Я не ожидаю, что мы когда-либо полностью заменим дробеструйную обработку, но лазерная упрочнение может расширить существующие технологии, а также заменить их в определенных обстоятельствах, когда технология станет более доступной», — сказал Бовид.

Очевидная разница между дробеструйной и лазерной упрочнением — поток физического материала по сравнению с лучом света — также является источником одной из самых больших проблем при лазерной упрочнении: поскольку свет распространяется по прямой линии, обработка сложных геометрических форм внутренних деталей может быть затруднена. Однако Бовид сразу отмечает, что это всего лишь проблема, а не обязательно ограничение.

«Процесс автоматизирован, по крайней мере, с одной стороны манипулирует робот», — сказал он. «Программа вводится в управление робота, и лазер или обрабатываемая деталь могут маневрировать, чтобы достичь необходимого угла для обработки нужной области.”CTE

---

Альтернативные методы поверхностного упрочнения

По словам консультанта ЛаРу Гиллеспи, существует метод упрочнения, который подходит для любого применения, если вы знаете, где искать. Ниже приведены некоторые другие специализированные методы закалки.

• Вибрационное упрочнение , которое похоже на ударное упрочнение, сказал Гиллеспи. Вместо сосредоточения внимания на одной точке при виброупрочнении обычно используется вибрирующая пластина, которая может упрочнить всю поверхность.
• Полировка существенно сжимает поверхность заготовки:
  1. Полировка шарика лучше всего рассматривать как вдавливание металлического шарика в поверхность заготовки, объяснил Гиллеспи. «Он оставляет углубление, которое выглядит как шар, и вы делаете это достаточно, чтобы оставлять очень маленькие углубления по всей поверхности, уплотняя материал поверхности и увеличивая твердость поверхности, оставляя при этом уникальную отделку».
  2. Валик для полировки использует ролик для раскатывания металла «как тесто для пирога, немного сжимая металл, и это твердеет большинство материалов», — сказал Гиллеспи.
  3. Глубокая прокатка использует тот же принцип, что и вальцовое полирование, но продвигается глубже в основу.
• Закалка электронным пучком — это специализированный процесс, который малоизвестен, — сказал Гиллеспи. «У нас есть электронно-лучевая обработка и электронно-лучевая сварка, которые вращаются, как следует из названия, вокруг очень маленького пучка электронов, который можно сфокусировать до очень точного диаметра». Самая большая проблема, связанная с упрочнением электронным пучком, заключается в том, что оно настолько специализировано, что может быть сложно найти достоверную информацию о нем, не говоря уже о магазине, который его выполнит.

—E. Джонс Торн

---

Авторы

Comco Inc.
(800) 796-6626
www.comcoinc.com

ЛаРу Гиллеспи
(316) 218-0249
www.larouxgillespie.com

LSP Technologies Inc.
(614) 718-3000
www.lsptechnologies.com

Peters ’Heat Treating Inc.
(814) 333-1782
www.petersheattreat.com

Titanova Inc.
(636) 487-0070
www.titanovalaser.com

.