какие марки стали можно закаливать
Правила закалки металла в домашних условиях
Конструирование механизмов тесно связано с изготовлением деталей из металла. Токарные, фрезерные, сварочные работы – без них в этом деле никуда. Но есть еще один важный момент, когда нужно изменить физические свойства металла – повысить его прочность. Необходим такой процесс при создании ответственных узлов, рассчитанных на большие нагрузки. Закалку металла в домашних условиях проводят, строго соблюдая технологический процесс.
Что подразумевают под закалкой
Если взять обычный гвоздь, зажать в тисках и попробовать согнуть его молотком, то это легко получится – гвоздь изготовлен из пластичной стали. Но если тот же эксперимент провести со сверлом – последнее лопнет при ударе молотка. Результат говорит о том, что сверло подвергали определенной обработке по увеличению его прочности, иначе оно не смогло бы пробуривать отверстия в плотном материале. Что же такое закалка металла?
Говоря научным языком, закалкой металла называют технологический процесс, при котором кристаллическая решетка закаливаемого материала приобретает определенную структуру. Это возможно при воздействии на изделие высокими температурами до состояния его накаливания и дальнейшее охлаждение в масляной или водной среде. Сам процесс подразумевает множество нюансов температурного режима, длительности обработки металла.
Важно понимать, что увеличение твердости металла при закалке (полиморфном превращении) ведет к повышению его хрупкости. Поэтому проводить механические преобразования закаленных сталей (изгибание, выкручивание) можно только после предварительного нагрева их до определенной температуры.
Какие виды закалок бывают
Если брать стали, то малоуглеродистые из них вообще не поддаются термическому преобразованию. Цветные металлы закаливаются иначе, чем черные – во внутренней структуре первых не происходит полиморфное превращение.
Для точной выдержки технологического процесса закалки разработаны специальные таблицы по каждой марке металла. В остальном, если брать конкретную деталь, то под видами закалки понимают:
По количеству охладителей, которые используют для остужения детали, бывают закалки с одним и двумя охладителями. В первом случае процесс одноступенчатый, с применением определенной жидкости для остужения заготовки из углеродистой либо легированной стали. Во втором процессе участвуют два охладителя, каждый из которых понижает температуру заготовки в своем режиме. Одновременно здесь происходит и отпуск металла.
В чем состоит процесс закалки
Чтобы закалить металл, необходимо выполнить такие основные этапы:
Осуществляя нагрев заготовки, необходимо следить за состоянием ее поверхности, а именно — за изменением цвета металла. Существует специальная шкала, где по цветовому оттенку можно приблизительно понять, до какой температуры текущего момента времени нагрета деталь. Ярко-красный оттенок говорит о том, что процесс происходит правильно. Следует не допускать появление на поверхности пятен, свидетельствующих о перекале и излишней хрупкости этих участков.
Среда, в которой охлаждают металл, исключительно зависит от его физических свойств и непосредственно влияет на результат термообработки. При неправильном подборе охладителя или времени выдержки вся процедура может не дать никакого результата, а иногда — ухудшить физико-механические показатели заготовки.
При каких температурах происходит закалка стали, что служит охлаждающей средой
Наиболее часто процессу закалки подвергают различные стали. Это связано с тем, что сталь является основным материалом при изготовлении механизмов и конструкций. Для каждой марки стали выведены свои оптимальные показатели, при которых происходит процесс закалки. Для марок быстрорежущих сталей можно сказать, что:
Для марок инструментальных легированных сталей показатели следующие:
Для марок инструментальных углеродистых сталей показатели следующие:
Способы закалки металла на дому
Чтобы осуществить закалку металла в домашних условиях, понадобится источник тепла и емкость с охлаждающей жидкостью. Источником тепла может служить открытый огонь костра, газовая горелка, электрическая печь специальной формы (муфельная печь). Ванночка или емкость должна быть глубиной, достаточной для полного погружения детали внутрь нее.
Закалка на открытом огне
Работу выполняют в следующей последовательности:
Закалка в муфельной печи
Муфельная печь – это электрический нагревательный прибор, напоминающий тоннель, вокруг которого расположена нихромовая электрическая спираль. Вся конструкция обмазывается огнеупорной глиной, задний конец тоннеля закрыт наглухо, передний имеет дверцу, через которую внутрь печи можно заложить необходимые заготовки. Желательно дверцу снабдить смотровым окошком из огнеупорного стекла (для контроля процесса нагрева заготовки).
После достижение металлом необходимой температуры весь остальной процесс охлаждения происходит согласно описанию в разделе: «Закалка на открытом огне».
Видео: Закалка стали в домашних условиях
3 способа самостоятельной закалки металла
Расскажем о трех способах закалки металла в домашних условиях, охлаждении и контроле качества. Как правильно провести закалку стали в масле и на открытом огне. Какое масло выбрать. Особенности закалки алюминия и меди.
Как можно закалить металл в домашних условиях, наверное, знает каждый мастер, работающий со слесарным или столярным инструментом. Считается, что для этого достаточно разогреть изделие докрасна, а затем охладить его в емкости с водой
Однако в домашней мастерской этим способом можно получить только твердый и хрупкий металл, который вполне подходит для стамесок и ножей, но непригоден для молотков, кернеров или зубил. Режимы термообработки зависят от марки стали и требуемых параметров изделия после закалки, а к ним относятся не только твердость, но и прочность, износостойкость, пластичность и вязкость.
В домашних мастерских, как правило, отсутствуют измерительные приборы, с помощью которых можно узнать температуру детали. Поэтому для того, чтобы закалить деталь, границы нагрева и отпуска приходится распознавать по цвету металла или его побежалости.
Кроме того, перед тем как закалить какое-либо изделие, мастер должен определить (хотя бы приблизительно) марку стали или сплава, из которого оно изготовлено.
Со временем накапливаются и знания, и навыки, но начинающему термисту даже для того, чтобы в домашних условиях успешно закалить сверло, резец или какой-нибудь крепеж, сначала придется пополнить свой теоретический багаж, пообщаться с опытными специалистами и сделать несколько пробных закалок.
Способы бытовой закалки металла
Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей.
Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали.
К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки.
На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.
Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия.
Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.
Закалка на открытом огне
В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке.
Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров.
Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.
Распространенные среды для самостоятельного каления
Для закалки сталей в домашних условиях обычно используют следующие охлаждающие среды: воздух, воду и водные растворы, минеральное масло. В качестве водных растворов обычно используют 10-15%-й хлористого натрия (поваренной соли), а минеральное масло в домашних мастерских — это чаще всего обычная моторная отработка.
Чтобы закалить отдельные части изделия с разной твердостью, используют закалку с последовательным охлаждением в двух средах. Каждая из этих закалочных сред характеризуется своей скоростью охлаждения, от которой напрямую зависит структура обрабатываемого металла.
К примеру, воздух охлаждает сталь со скоростью 5÷10 °C в секунду, масло — 140÷150 °C, а вода (в зависимости от температуры) — 700÷1400 °C.
Чтобы правильно и без проблем закалить свое изделие, необходимо знать марку металла, из которого оно изготовлено, т. к. от этого зависит как температура нагрева, так и способ охлаждения. Народные умельцы для своих изделий в качестве исходных материалов чаще всего используют б/у изделия из быстрорежущих и инструментальных сталей, которые можно закалить в домашней мастерской.
Ниже в таблице приведены рекомендуемые температурные режимы и среды охлаждения для различных сталей.
Закалка металла в масле
На производстве для закалки обычно используют индустриальное масло И-20 или современные закалочные масла типа «Термойл», «Термо» или «Волтекс». В домашних мастерских народные умельцы пользуются тем, что имеется в наличии. Чаще всего это новое или отработанное моторное масло.
Чтобы безопасно закалить деталь в таком масле в домашних условиях, нужно помнить, что у него по сравнению с промышленными закалочными жидкостями гораздо более низкая температура вспышки, и при погружении в него раскаленного металла оно на короткий срок загорается с выделением едкого дыма.
Поэтому закалочная емкость, применяемая в домашней мастерской, должна иметь минимальную открытую поверхность и использоваться только на открытом воздухе или в проветриваемом помещении. Помимо обычных ведер и жестяных банок, одна из самых распространенных конструкций такой емкости, которой пользуются домашние мастера — это удлиненный отрезок трубы подходящего диаметра с приваренным днищем.
Изготовление камеры для закаливания металла
В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота.
Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой. При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода.
Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров. Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы.
Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства.
Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).
На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.
Как самостоятельно провести отпуск
Для большинства сталей (углеродистых и низколегированных), которые можно закалить в домашней мастерской, отпуск проводится при температурах в интервале от 150 до 250 °C (см. таблицу выше). В отличие от закалки такой нагрев не требует специального оборудования, поэтому многие домашние мастера используют для этих целей духовки бытовых плит с терморегуляторами.
Определить температуру нагрева при отпуске можно по цвету побежалости — разноцветной оксидной пленки, возникающей на поверхности стали при нагреве (см. рис. ниже). Если закалить сталь «на мартенсит», т. е. с быстрым охлаждением в воде, то получится очень твердая, но хрупкая структура. Поэтому отпуск является обязательной процедурой при термической обработке режущего инструмента.
Проверка качества закалки
Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме.
Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.
Особенности закалки алюминия
Такая потребность у домашнего мастера может возникнуть после сварки между собой деталей из алюминиевых сплавов, т. к. в этом случае они очень часто теряют жесткость в области, прилегающей к сварному шву. Но в домашних условиях закалить алюминий очень сложно, т. к. для этого нужно точно знать тип сплава и выдерживать термические параметры с точностью как минимум ±5 °C.
Охлаждение тоже требует определенных навыков, т. к. при неточном соблюдении технологии изделие может повести. Если же все-таки хочется освоить этот вид термообработки для использования в домашних условиях, то в первую очередь необходимо обзавестись печью с точным терморегулятором, а также быть готовым к тому, что каждый раз придется закаливать поочередно несколько образцов для подбора нужных параметров термического процесса.
Особенности закалки меди
Технологии термообработки стали и меди имеют принципиальные отличия. Нагрев меди до красного каления (свыше 600 °C) и быстрое охлаждение в воде приводит к ее отпусканию (т. е. она становится мягкой).
Закалить медь в домашних условиях сложнее, чем отпустить, т. к. для этого ее нужно нагреть всего до 400 °C, при которых она не имеет свечения. После нагрева до указанной температуры медное изделие медленно остужается на воздухе, после чего оно приобретает твердость, как после нагартовки.
Если все-таки есть насущная потребность закалить какое-то количество медных деталей в условиях домашней мастерской, придется обзавестись пирометром для контроля температуры нагрева.
Мы описали два способа проверки качества закалки в домашних условиях. А какие знаете вы? Поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к этой статье.
Какую сталь можно закалить а какую нет
Закалка стали
Отпуск и старение металла
Часто путём закалки повышается не только твёрдость металла, но и его хрупкость, поэтому необходимо выполнять ещё один этап — отпуск, при котором прочность и твёрдость несколько снижаются, но материал становится более пластичным. Делают отпуск при температуре, ниже, чем в предыдущем процессе, и охлаждают металл постепенно.
Можно проводить закалку без изменения структуры металла (полиморфного превращения). В этом случае не возникнет проблем с хрупкостью, но необходимая твёрдость не будет достигнута. А повысить её удастся путём ещё одного процесса термообработки, называемого старением. При старении происходит распад пересыщенного твёрдого раствора, в результате которого увеличивается прочность и твёрдость материала.
Отпуск стали — это разновидность термообработки, используемая для деталей, закалённых до критической точки, при которой происходит полиморфное изменение кристаллической решётки. Он заключается в выдерживании металла определённый промежуток времени в нагретом состоянии и медленном охлаждении на открытом воздухе. Делают отпуск, чтобы снизить внутреннее напряжение, а также исключить хрупкость металла и увеличить его пластичность.
При помощи старения достигается необходимая твёрдость закалённой стали. Старение может быть:
Описание метода закалки ТВЧ
Нагрев токами ВЧ основан на явлении, при котором вследствие прохождения переменного высокочастотного тока по индуктору (спиральный элемент, выполненный из медных трубок) вокруг него формируется магнитное поле, создающее в металлической детали вихревые токи, которые и вызывают нагрев закаливаемого изделия. Находясь исключительно на поверхности детали, они позволяют нагреть ее на определенную регулируемую глубину.
Закалка ТВЧ металлических поверхностей имеет отличие от стандартной полной закалки, которое заключается в повышенной температуре нагрева. Это объясняется двумя факторами. Первый из них – при высокой скорости нагрева (когда перлит переходит в аустенит) уровень температуры критических точек повышается. А второй – чем быстрее проходит переход температур, тем быстрее совершается превращение металлической поверхности, ведь оно должно произойти за минимальное время.
Стоит сказать, несмотря на то, что при использовании высокочастотной закалки вызывается нагрев больше обычного, перегрева металла не случается. Такое явление объясняется тем, что зерно в стальной детали не успевает увеличиться, благодаря минимальному времени высокочастотного нагрева. К тому же, из-за того, что уровень нагрева выше и охлаждение интенсивнее, твердость заготовки после ее закалки ТВЧ вырастает приблизительно на 2-3 HRC. А это гарантирует высочайшую прочность и надежность поверхности детали.
Вместе с тем, есть дополнительный немаловажный фактор, который обеспечивает повышение износостойкости деталей при эксплуатации. Благодаря созданию мартенситной структуры, на верхней части детали образовываются сжимающие напряжения. Действие таких напряжений проявляется в высшей мере при небольшой глубине закаленного слоя.
Применяемые для закалки ТВЧ установки, материалы и вспомогательные средства
Полностью автоматический комплекс высокочастотной закалки включает в себя закалочный станок и ТВЧ установки (крепежные системы механического типа, узлы поворота детали вокруг своей оси, движения индуктора по направлению заготовки, насосов, подающих и откачивающих жидкость или газ для охлаждения, электромагнитных клапанов переключения рабочих жидкостей или газов (вода/эмульсия/газ)).
ТВЧ станок позволяет перемещать индуктор по всей высоте заготовки, а также вращать заготовку на разных уровнях скорости, регулировать выходной ток на индукторе, а это дает возможность выбрать правильный режим процесса закалки и получить равномерно твердую поверхность заготовки.
Принципиальная схема индукционной установки ТВЧ для самостоятельной сборки была приведена в предыдущей статье.
Индукционную высокочастотную закалку можно охарактеризовать двумя основными параметрами: степенью твердости и глубиной закалки поверхности. Технические параметры выпускаемых на производстве индукционных установок определяются мощностью и частотой работы. Для создания закаленного слоя применяют индукционные нагревающие устройства мощностью 40-300 кВА при показателях частоты в 20-40 килогерц либо 40-70 килогерц. Если необходимо провести закалку слоев, которые находятся глубже, стоит применять показатели частот от 6 до 20 килогерц.
Диапазон частот выбирается, исходя из номенклатуры марок стали, а также уровня глубины закаленной поверхности изделия. Существует огромный ассортимент комплектаций индукционных установок, что помогает выбрать рациональный вариант для конкретного технологического процесса.
Технические параметры автоматических станков для закалки определяются габаритными размерами используемых деталей для закалки по высоте (от 50 до 250 сантиметров), по диаметру (от 1 до 50 сантиметров) и массе (до 0,5 т, до 1т, до 2т). Комплексы для закалки, высота которых составляет 1500 мм и больше, оснащены электронно-механической системой зажима детали с определенным усилием.
Высокочастотная закалка деталей осуществляется в двух режимах. В первом каждое устройство индивидуально подключается оператором, а во втором – происходит без его вмешательств. В качестве среды закалки обычно выбирают воду, инертные газы или полимерные составы, обладающие свойствами по теплопроводности, близкими к маслу. Среда закалки выбирается в зависимости от требуемых параметров готового изделия.
Какую сталь подвергают закалке
Термически обрабатывают только такой металл, в котором содержится не менее 0,45% углерода, а также инструментальную и легированную стали, твёрдость которых после закалки становится в несколько раз выше. Тот металл, в котором содержание углерода не превышает 0,45%, не обрабатывается термически. Ниже приведена таблица режимов термообработки для некоторых видов сталей.
| Тип | Инструмент | Температура закалки | Температура отпуска | Чем охлаждают после закалки | Чем охлаждают после отпуска |
| У7, У7А | Инструмент плотника, отвёртки, топоры, зубила и др. | 800 | 170 | водой | водой |
Какой бывает закалка металла
О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.
Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.
Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.
Наиболее важным параметром при закалке металлов является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.
После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.
Диаграмма состояний железо-углерод
При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации
Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.
Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.
Нагрев стали при закалке токами высокой частоты
Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов
В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали. Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.
Это интересно: Закалка стали 50 — температура, твердость, структура
Температура для закалки
| Марка стали | Температура, С | ||
|---|---|---|---|
| закалки | отжига | отпуска | |
| 15Г | 800 | 780 | 200 |
| 65Г | 815 | 790 | 400 |
| 15Х, 20Х | 800 | 870 | 400 |
| 30Х, 35Х | 850 | 880 | 450 |
| 40Х, 45Х | 840 | 860 | 400 |
| 50Х | 830 | 830 | 400 |
| 50Г2 | 805 | 830 | 200 |
| 40ХГ | 870 | 880 | 550 |
| ОХ13 | 1050 | 860 | 750 |
| 3Х13 | 1050 | 880 | 450 |
| 35ХГС | 870 | 860 | 500 |
| 30ХГСА | 900 | 860 | 210 |
| У7, У7А | 800 | 780 | 170 |
| Р9, Р12 | 1250 | 860 | 580 |
| Р9Ф5, Р9К5 | 1250 | 860 | 590 |
| Р18Ф2 | 1300 | 900 | 590 |
| ШХ15 | 845 | 780 | 400 |
| 9ХС | 860 | 730 | 170 |
| Р18К5Ф2 | 1280 | 860 | 580 |
| 1Х14Н18Б2БРГ | 1150 | 860 | 750 |
| 4Х14Н1482М | 1200 | 860 | 750 |
Определение температуры нагрева в промышленном производстве осуществляется посредством контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия широкое распространение получили инфракрасные приборы, позволяющие дистанционно замерять температуру в любой точки поверхности нагретой детали. Кроме того, приблизительную температуру разогрева стали можно определить по цветовым таблицам.
Выбор температуры для закалки
Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.
Закалка бывает двух видов:
Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусов. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.
Рисунок №1. Критические точки.
Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания — достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 — Ас2. При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.
Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 — неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.
Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость
Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.
Закаливаемость
Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».
Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.
Прокаливаемость
Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина. Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.
На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.
Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.
Мартенсит и мартенситное превращение в сталях
Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.
Как выбирается температура
Чтобы провести качественную закалку стальной заготовки, нужно выбрать температурный режим обработки, который зависит от вида обрабатываемого материала:
Особенности индукционного воздействия на металлические поверхности не позволяют обрабатывать стали, процентное содержание углерода в которых не превышает 0.5%. Для завершения технологического процесса нужно устранить возникшее напряжение между сердцевиной и поверхностью изделия. Чтобы сделать это, проводится низкотемпературный отпуск. Заготовка помещается в печь, разогретую до температуры 200 градусов по Цельсию. Когда температура упадёт, изделию дают остыть при комнатной температуре.
Закалка стали (Фото: Instagram / redventru)
Закалка стали в условиях дома или дачи
Детали или предметы, имеющие вытянутую форму в воду помещаем вертикально. Для оценки температуры закалки в костре используем таблицу цветов. Вместо костра можно использовать любую печку.
Индукционная установка
Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.
Индукционный нагреватель ТВЧ
Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.
Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.
Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.
Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:
В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:
Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.
Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.
Газопламенная закалка
Температурные режимы, связанные с нагревом и охлаждением, могут быть непрерывными или цикличными. Поверхностная закалка выполняется четырьмя способами.
Способы закалки сталей
На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).
Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей
Непрерывная закалка стали
Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.
Закалка в двух средах
Ступенчатая закалка
При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.
Изотермическая закалка сталей
Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.
При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной
Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.
Сферы применения закалки ТВЧ
Закалка ТВЧ используется в ряде технологических процессов изготовления следующих деталей:
Наиболее часто высокочастотную закалку применяют для деталей, которые состоят из углеродистой стали, содержащей полпроцента углерода. Подобные изделия приобретают высокую твердость после закалки. Если наличие углерода меньше вышеуказанного, подобная твердость уже недостижима, а при большем проценте скорее всего возникнут трещины при охлаждении водяным душем.
В большинстве ситуаций закалка токами высокой частоты позволяет заменить стали, прошедшие легирование, более недорогими – углеродистыми. Это можно пояснить тем, что такие достоинства сталей с легирующими добавками, как глубокая прокаливаемость и меньшее искажение поверхностного слоя, для некоторых изделий теряют значение. При высокочастотной закалке металл становится более прочным, а его износостойкость возрастает. Точно так же, как углеродистые используются хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые и многие другие виды сталей с низким процентом легирующих добавок.
Индукционная установка
Чтобы провести разогрев токами высокой частоты, нужно использовать индукционное оборудование. Оно состоит из высокочастотного генератора, индуктора. Заготовку устанавливают внутри индуктора или рядом с ним. Он представляет собой катушку, на которой закрепляется медная трубка. Габариты, форма индуктора может изменяться в зависимости от размера обрабатываемой детали.
После включения оборудования индуктор генерируют магнитное поле, которое проходит через изделие. Вихревые токи, образующиеся во время обработки, разогревают поверхностные слои стали. Чтобы увеличить глубину проработки детали, нужно повысить частоту тока.
Бывает несколько типов конструкции индуктора:
Помимо конструкции используемого оборудования, изменяют режимы проведения работ:
При обработке нужно удерживать одно расстояние между индуктором, рабочей поверхностью на всем рабочем промежутке
Важно не допускать соприкосновения оборудования и заготовки. Это приведёт к нарушению структуры материала
Одновременный разогрев изделий подразумевает использование большой мощности. Это повышает затраты электроэнергии. Из-за этого при обработки крупногабаритных заготовок применяют режим непрерывно-последовательной закалки.
ТВЧ — технология, направленная на изменение характеристик металлической заготовки. Разогревание изделия высокочастотными токами увеличивает показатели твердости, прочности
Важно равномерно провести разогрев, охлаждение. ТВЧ актуально использовать при многосерийном производстве
Индукционная закалка металлов
Индукционная закалка – это широко используемая технология поверхностного закаливания стали, при которой металлическая заготовка нагревается методом индукционного нагрева, то есть с помощью переменного магнитного поля, до температуры в пределах или выше интервала мартенситного превращения, а затем подвергаются мгновенному охлаждению, в результате чего возрастают твёрдость и хрупкость детали.
При индукционной закалке происходит нагрев заготовок. При этом сердцевина заготовки остаётся незакалённой, а её физические свойства не отклоняются от свойств стального прутка, из которого выточена эта заготовка, в то время как твёрдость её оболочки (т.е. поверхностного слоя) может варьироваться в пределах 37-58 единиц по шкале Роквелла.
Для этой технологии лучше всего подходят углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в пределах 0,40-0,45 %.
Индукционная закалка используется для выборочного отверждения участков компонента или узла без изменения его свойств в целом.
Технология индукционной закалки
Индукционный нагрев представляет собой технологию, основанную на использовании принципа электромагнитной индукции для бесконтактного внутреннего нагрева поверхностного слоя заготовки.
Поместив электропроводящий материал в сильном переменном магнитном поле, можно генерировать электрический ток внутри этого материала, что приведёт к его нагреву вследствие активных (омических) потерь в нём.
Что касается дальнейшего нагрева, то в магнитных материалах он продолжается до температуры ниже точки Кюри, что обусловлено потерями на магнитный гистерезис.
В процессе индукционного нагрева генерированный электрический ток течёт преимущественно в поверхностном слое заготовки. При этом глубина этого слоя зависит от частоты переменного магнитного поля, поверхностной плотности мощности, магнитной проницаемости материала, продолжительности нагрева и диаметра прутка или толщины материала.
При быстром охлаждении этого нагретого слоя в воде, масле или закалочной жидкости на основе полимеров поверхностный слой изменяется, приобретая мартенситную структуру, более твёрдую, чем у металла сердцевины заготовки.
В качестве технологической оснастки используется рабочая катушка, по которой пропускается электрический ток от источника переменного тока высокой частоты. При прохождении электрического тока по этой катушке в пространстве внутри неё создаётся очень мощное и быстро меняющееся магнитное поле. Нагреваемая заготовка помещается в этом мощном переменном магнитном поле, после чего внутри неё начинают генерироваться вихревые токи, а электрическое сопротивление металла приводит к её омическому нагреву.
Эта операция чаще всего применяется при индукционной закалке легированных сталей. Перед отгрузкой заказчику многие механические детали, например, валы, шестерни и пружины, подвергаются различным методам поверхностной обработки для улучшения характеристик износа. При этом эффективность применяемых методов обработки зависит как от изменения свойств материала поверхности, так и от возникновения в нём остаточных напряжений.
Технология индукционной закалки является одной из наиболее распространённых среди технологий поверхностной обработки, используемых для увеличения прочности деталей. Благодаря ей, заготовка сохраняет жёсткую сердцевину с остаточными напряжениями растяжения и приобретает твёрдый поверхностный слой с напряжением сжатия, что, как выяснилось, очень эффективно увеличивает усталостную долговечность и износостойкость детали.
Низколегированные среднеуглеродистые стали, подвергнутые индукционной закалке поверхности, широко применяются для изготовления критически важных компонентов автомобилей и механизмов, которые должны обладать высокой износостойкостью. При этом износостойкость закалённых деталей зависит от глубины и силы закалки, а также от распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое.
Первая Предыдущая 1 Следующая > Последняя >>