В машиностроении около 40% сталей подвергаются закалке. Для чего сплавы проходят термическую обработку:
- для увеличения твердости материала. Закалка влияет на устойчивость будущих изделий к механическим воздействиям, позволяет увеличить срок их службы. Если промышленные ножи изготовлены из закаленной стали, они лучше держат заточку, рабочие кромки не подвержены выкрашиванию;
- для усиления поверхностных слоев металла – закалка способствует большей стойкости к внешним воздействиям, увеличивая предел прочности на растяжение, скручивание.
- для уменьшения пластичности материала – термообработка улучшает способность стали противостоять деформациям, например, изгибам. Это важно, если из сплава изготавливают дисковые пилы, шестерни, валы, втулки.
Однако после закалки изделия из стали становятся более хрупкими, что отрицательно влияет на их эксплуатационные характеристики, например, при сильных вибрациях или ударных нагрузках металлическая конструкция может разрушиться. Чтобы нивелировать этот эффект, технологи совершенствуют процедуру термообработки и рецептуру сплавов за счет добавления в них легирующих элементов.
Принцип закалки металлов. Виды обработки
Закалка металла – вид термообработки материалов, при котором заготовку нагревают до определенной температуры, а затем охлаждают. В результате микроструктура сплава изменяется, зерна стали упорядочиваются, приобретают игольчатую или реечную форму.
Основные виды закалки:
- В одном охлаждающем растворе – заготовку нагревают до определенной температуры, затем ее погружают в жидкость, где она выдерживается до полного остывания. Этот метод применяется, если нужно закалить конструкции из углеродистых и легированных сталей.
- Термообработка с выдерживанием изделия в двух средах – способ применяют, если выполняется закалка металлоконструкций из высокоуглеродистых сталей. После нагрева деталь сначала опускают в быстро охлаждающую среду (например, в водный раствор), а потом переносят в медленно охлаждающий (масляные смеси).
- Ступенчатая термообработка – изделие охлаждают в среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки для данного сплава. На втором этапе деталь погружают в медленно охлаждающий раствор, где происходит окончательное изменение структуры сплава.
- Изотермическая закалка – применяется для обработки легированных и конструкционных сплавов. Этот метод предусматривает погружение детали в масляные или соляные растворы на 30 минут, потом заготовка остывает на воздухе.
До каких температур нагревают металлы при закалке. Время, температура термической обработки
Температурный режим подбирают в зависимости от обрабатываемого материала. Учитываются химический состав сплава, его микроструктура. Если закалке подвергается сталь, то определяют порог аустенизации материала, он находится в диапазоне 790–915 градусов. Нагрев производится до температуры на 30-80 градусов выше этого порога.
От времени термообработки детали зависит степень выгорания углерода и размер зерен в структуре сплава. Необходимо подобрать время так, чтобы деталь прогрелась по всему сечению, а все фазовые превращения в структуре были завершены.
В каких средах производится охлаждение деталей при закалке
На характеристики сплавов после термообработки влияет время охлаждения. Скорость остывания зависит от среды, в которой размещают деталь: жидкая, газообразная. В качестве жидкостей используют чистую или дистиллированную воду, соляные растворы разной концентрации, масляные смеси различных составов. В редких случаях детали охлаждают в керосине.
Ряд методов термообработки предполагает охлаждение деталей в газообразных средах: на воздухе или в инертных газах. Аргон или гелий предпочтительнее, так как в них окисление и науглероживание сплавов исключены.
Этапы термообработки металла
Первый этап – нагрев детали. Заготовку укладывают в печь или шахту. Температура устанавливается оператором оборудования в соответствии с параметрами, указанными в технологической карте.
Второй этап – выдержка в течение определенного времени. Длительность нагрева зависит от материала и требуемых характеристик, которые должен приобрести сплав.
Третий этап – охлаждение в жидкости или газообразной среде. Заготовку извлекают из печи или шахты, размещают в емкости с раствором или в герметичной камере, заполненной газовой смесью.
Какое оборудование используют для закалки деталей из металла
Шахтные печи используют на крупных производственных предприятиях. Их преимущества: высокая производительность, большие размеры, позволяющие производить термообработку крупногабаритных конструкций. Главный недостаток шахтной печи – невозможность размещения в небольших цехах.
Камерные колодцы – оборудование для нагрева средних и крупных изделий из стали. Допускается термообработка заготовок массой до 25 тонн и толщиной свыше 300 мм. Нагрев осуществляется с четырех сторон детали, которая устанавливается вертикально в рабочей зоне колодца.
Вакуумные печи – сложное промышленное оборудование в виде герметично закрывающегося контейнера. После размещения внутри заготовок пространство заполняется азотом или гелием, после чего выполняется нагрев деталей. Главное преимущество вакуумных печей – высокая точность выдержки температуры. Погрешность составляет ±5 градусов.
Водородные печи – устройства, в которых термообработка производится в среде водорода. Такая методика нагрева позволяет восстановить окислы большинства металлов. Водород быстро проникает в их кристаллическую решетку, вытесняет нежелательные газы, после чего легко удадяется на этапе вакуумной обработки.
В водородных печах применяется очищенный водород с минимальным содержанием кислорода и влаги. Обработанные в водороде заготовки становятся более стойкими к коррозии.
Закалка с помощью электрического тока
Закалка токами высокой частоты выполняется с применением индукционного оборудования. Электрический ток проходит через индуктор, создается электромагнитное поле. Оно воздействует на заготовку, вызывая в структуре металла вихревые токи. Эти токи с большой скоростью проходят через деталь, за счет чего материал нагревается.
Методы термообработки ТВЧ:
- Непрерывно-последовательный – изделие фиксируют в индукционной установке, а индуктор передвигается вдоль его поверхностей.
- Одновременный – заготовку крепят на подвижной каретке, затем изделие перемещают вдоль закрепленного в станке индуктора.
- Последовательный – элементы заготовки сложной формы подвергаются термообработке в порядке очереди. Примеры: термообратотка муфт, звеньев цепей, зубьев шестерен.
После закалки изделие необходимо подвергнуть отпуску при температуре 160–200 градусов. Такая обработка позволяет уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость материала, снизить внутренние напряжения в структуре металла.