Закалка играет решающую роль в термической обработке, поскольку она может повысить прочность и твёрдость стали. Сочетание закалки с отпуском при различных температурах позволяет достичь различных сочетаний прочности, пластичности и вязкости для различных сфер применения.
Обзор закалки
Закалка — это процесс термической обработки , включающий нагрев стали до температуры выше критической точки Ac3 (для доэвтектоидной стали) или Ac1 (для заэвтектоидной стали) и выдержку в течение определенного времени для достижения полной или частичной аустенитизации. Затем материал охлаждается со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, чтобы превратить переохлажденный аустенит в мартенситную или нижнебейнитную микроструктуру.
Целью закалки является облегчение превращения переохлажденного аустенита в мартенсит или бейнит, что позволяет получить специфическую микроструктуру. В сочетании с отпуском при различных температурах эта термическая обработка повышает прочность, твердость, износостойкость, усталостную прочность и ударную вязкость стали, что соответствует эксплуатационным требованиям механических компонентов. Закалка также может использоваться для удовлетворения специфических физических или химических требований, таких как ферромагнетизм или коррозионная стойкость некоторых сталей.
Принципы тушения
Основополагающий принцип процесса закалки заключается в быстром нагреве металлической заготовки до определённой температуры, выдержке при этой температуре для преобразования внутренней структуры в аустенит, а затем быстром погружении её в закалочную среду. Быстрое охлаждение приводит к образованию закалённых фаз, таких как мартенсит или бейнит, что повышает твёрдость, прочность и износостойкость металла.
1. Аустенитизация
Температурный режим
Сталь нагревается до температуры выше критической точки для доэвтектоидной или гиперэвтектоидной стали. В этом температурном диапазоне изменяется кристаллическая структура: феррит и цементит, присутствующие при комнатной температуре, постепенно превращаются в аустенит. Аустенит – это твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической структурой, характеризующийся высокой растворимостью углерода, низкой прочностью и высокой пластичностью.
Сохранение тепла
Целью поддержания температуры является гомогенизация внутренней температуры заготовки, что гарантирует полную аустенизацию всего компонента для подготовки к последующему быстрому охлаждению и структурной трансформации.
2. Охлаждение и микроструктурные преобразования
Скорость охлаждения
Охлаждение производится со скоростью, строго превышающей критическую. Критическая скорость охлаждения определяется как минимальная скорость охлаждения, необходимая для образования мартенситной структуры стали при закалке. Если скорость охлаждения ниже критической, в процессе охлаждения сталь может образовать перлит или бейнит, не достигнув заданной твёрдости и прочности.
Процесс трансформации
При быстром охлаждении структура аустенита становится нестабильной и претерпевает фазовый переход. Переохлаждённый аустенит превращается в закалённые фазы, такие как мартенсит или бейнит. Мартенсит — это пересыщенный твёрдый раствор углерода в альфа-железе с объёмно-центрированной тетрагональной структурой, характеризующийся очень высокой твёрдостью и прочностью.
Увеличение производительности
Мартенситные или бейнитные структуры, получаемые в результате закалки, значительно повышают твердость, прочность и износостойкость обрабатываемого металла. Например, закаленные стальные детали обладают значительно повышенной твердостью поверхности, что обеспечивает превосходную устойчивость к износу и деформации.
Закалочные среды
Как показывают кривые «время-температура-превращение» (ВТТ), разные скорости закалки дают разные результаты. Разные металлы могут выдерживать разные скорости закалки без образования трещин. Хотя для разных металлов требуются особые подходы, закалка в основном зависит от скорости охлаждения.
Как правило, основным методом управления скоростью охлаждения является выбор закалочной среды. Хотя теоретически температуру среды можно изменять, её удельная теплоёмкость и температура кипения являются решающими факторами, определяющими скорость охлаждения. Наиболее распространёнными закалочными средами являются вода, рассол (соленая вода), масло, жидкий азот и воздух, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Вода - Water
Вода является одной из наиболее распространённых сред благодаря своей доступности и способности вызывать быстрое тушение. Она негорюча и обладает высокой удельной теплоёмкостью и скрытой теплотой парообразования. Однако при кипении образуются пузырьки, снижающие теплопроводность (эффект Лейденфроста), что в конечном итоге замедляет скорость тушения.
рассол
Рассол — это просто вода с добавлением соли. Соль повышает температуру кипения воды, уменьшая образование пузырьков при кипении и ускоряя закалку. Недостатком является то, что соль может вызывать коррозию или вступать в химическую реакцию с некоторыми сплавами.
Что касается легенд о закалке мечей в крови: поскольку кровь содержит растворённые электролиты (соли), её действие при закалке схоже с действием слабого рассола. Кровь также содержит органические соединения, которые могут коагулировать и прилипать к клинку, потенциально снижая эффект Лейденфроста. Молекулы углерода в крови также могут вступать в реакцию с образованием небольших карбидов на поверхности.
Начните производство от создания прототипа до масштабирования
- Надежная и своевременная доставка по всему миру
- Доступно несколько сертификатов
- Полная проверка перед каждой отправкой
Масло
Масло является эффективным средством закалки средней скорости, способствующим уменьшению трещин. Существенным недостатком является пожароопасность, которую представляет поверхность масла, что требует особой осторожности при работе.
Жидкий азот
Закалка жидким азотом происходит изначально медленнее, чем закалка в воде, поскольку азот мгновенно переходит в газообразное состояние (образуя слой с низкой теплопроводностью), а также обладает меньшей теплоёмкостью и теплотой испарения. Однако жидкий азот в конечном итоге значительно снижает конечную температуру материала, что необходимо для выделения мартенсита в некоторых сплавах (например, некоторых видах нержавеющей стали).
воздуха
Закалка на воздухе обычно осуществляется путём быстрого обдува образца холодным воздухом. Этот метод широко распространён в промышленных условиях благодаря низкой стоимости и возможности контролировать скорость охлаждения на различных участках изделия путём регулирования скорости воздуха. Хотя, как правило, это самая медленная среда, некоторые сплавы могут достигать закаленной микроструктуры даже при охлаждении на спокойном воздухе.
Этапы тушения
Сплав нагревают до температуры на 30–50 °C выше критической. Длительного воздействия этой температуры следует избегать во избежание роста зерен.
Для сплавов, чувствительных к окислению, нагрев следует проводить в вакууме. В качестве альтернативы, сплав можно поместить в кварцевую трубку, из которой откачан воздух или которая заполнена инертным газом, например, аргоном.
Сплав требует быстрого охлаждения, которое определяется главным образом закалочной средой. Наиболее быстрой средой, как правило, является рассол, тогда как жидкий азот охлаждает относительно медленно.
Если сплав охлаждается слишком быстро, он может треснуть, если слишком медленно, метастабильные фазы могут не сформироваться. Оптимальную скорость закалки следует определять с помощью диаграммы «время-температура-превращение» (ВТП).
