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
Тушение - это термическая обработка Процесс, включающий нагрев стали до температуры выше критической точки Ac3 (для доэвтектоидной стали) или Ac1 (для гиперэвтектоидной стали) и выдержку при этой температуре в течение определённого времени для достижения полной или частичной аустенитизации. После этого материал охлаждают со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, для преобразования переохлаждённого аустенита в мартенситную или нижнебейнитную микроструктуру.
Цель закалки — способствовать превращению переохлаждённого аустенита в мартенсит или бейнит, что позволяет получить определённые микроструктуры. В сочетании с закал При различных температурах эта термическая обработка повышает прочность, твёрдость, износостойкость, усталостную прочность и вязкость стали, что позволяет ей соответствовать эксплуатационным требованиям к механическим деталям. Закалка также может использоваться для удовлетворения определённых 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
Мартенситная или бейнитная структуры, полученные в результате закалки, значительно повышают твёрдость, прочность и износостойкость металлических деталей. Например, закаленные стальные детали имеют значительно повышенную твердость 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
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).
