Закаливание изделий из стали на производстве

Целью является увеличение твердости и прочности материала. Это важная технология в производстве различных металлических изделий, включая инструменты, пружины, зубчатые колеса, валы и многие другие.

Как проводится закаливание стальных деталей

Закалка изделий из стали осуществляется в несколько основных этапов: нагрев, выдержка и быстрое охлаждение. Также иногда применяется последующий отпуск сплава или другие виды термообработки. Из-за быстрого охлаждение внутри стальной конструкции накапливаются внутренние напряжения. Отпуск снимает их, что способствует улучшению деформируемости и устойчивости материала к трещинам и разрушению.

Нагрев сплава

Температура нагревания зависит от состава стальной детали. При определении точных значений применяется правило: чем меньше процентов углерода содержится в сплаве, тем выше должна быть температура. Также используют оборудование, включая оптические, с термоконусом и инфракрасные пирометры. В промышленности для измерения высоких температур применяют термопары – устройства, состоящие из двух различных металлов, соединенных в одном конце. Их работа основана на изменении электрического напряжения. Виды нагрева металлических изделий:

• В печи. Это один из наиболее распространенных способов нагрева стальных элементов во время закаливания. Металлическое изделие помещается в специальную закалочную печь, которая обеспечивает контролируемый нагрев с помощью термостатов до выставленной температуры. Печи могут быть электрическими, газовыми или работать на других источниках тепла. Для защиты изделия от окисления используют инертный газ – азот или аргон.

• Индукционный. Используется принцип электромагнитной индукции: путем создания переменного магнитного поля катушкой вокруг сплава можно нагревать его без прямого контакта с источником тепла. Это позволяет быстро и равномерно нагревать стальные детали различных форм и размеров, минимизируя потери энергии. Нагрев может быть запрограммирован и управляться с помощью компьютерных систем.

• Огневой. Включает использование открытого пламени или газовой горелки для прямого воздействия на сплав. Полезен для небольших стальных деталей или в случаях, когда требуется местный нагрев конкретных областей (при отпуске или пайке). Для больших металлических элементов нужно дополнительное управление распределением тепла.

• Лазерный. Лазерный генератор создает излучение программируемой длины волны и интенсивности. Используется оборудование на основе Nd:YAG, диодные лазеры. Мощность контролируется, что особенно полезно для закаливания узких и сложных стальных форм. Также минимизируются деформации и изменения свойств материала, так как нагрев происходит только в области, куда направлен лазерный пучок.

Индукционный способ обеспечивает нагрев только в ограниченной глубине проникновения, которая зависит от частоты индукционного поля и электрических свойств сплава. Это может быть как преимуществом (нагрев только нужных зон), так и недостатком в зависимости от требуемых результатов. Также открытый огонь или высокотемпературные источники могут быть опасными и потенциально вызывать пожары или травмы.

Выдержка металлического изделия

После первичного нагрева металлическое изделие может не достичь полностью желаемой структуры. Выдерживание сплава при определенной температуре помогает завершить все происходящие процессы в металлической решетке. Выдержка способствует превращению аустенита, который образуется в результате нагрева. Аустенит – это неустойчивая структура, и после термообработки он становится мартенситом или байнитом. Их микроструктура которых состоит из мелких упрочняющих участков, называемых пластинками.

Также во время выдержки происходит диффузия – перемещение атомов или молекул из одной области вещества в другую в результате их теплового движения. В стальных конструкциях атомы перескакивают через препятствия в кристаллической решетке. Путем контролируемой диффузии можно формировать защитные слои или изменять химический состав поверхности. Атомы изменяют свое начальное местоположение и объединяются для формирования новых зерен или восстановления кристаллической структуры.

Охлаждение металлического изделия

Быстрое охлаждение не дает атомам времени на дальнейшую и нежелательную диффузию, что способствует формированию твердой и прочной металлической структуры. Это позволяет “заморозить” состояние сплава и сохранить мартенситные или байнитные фазы. Для снижения температуры используют охлаждающие среды, такие как вода, масло, солевые растворы или газы. Процесс обязательно должен быть контролируемым, чтобы избежать деформаций или трещин. Поэтому нужны специальные системы охлаждения: бассейны, спреи, погружение и т. д.

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

При процессе закаливания стальной конструкции может образовываться слой оксидов. Он обычно состоит из Fe3O4 и FeO, часто становится темно-серым или черным. Образование окалины происходит из-за взаимодействия металлического изделия с окислительными средами, такими как кислород в воздухе или охлаждающей среде. Такой слой служит источником слабых точек на поверхности сплава, на которых появляется и распространяется коррозия. Он также создает неровную и грубую поверхность, которая ухудшает эстетический вид и качество металлического изделия.

Обезуглероживание (декарбуризация) – потеря углерода из металла, которая обычно происходит при высоких температурах в окислительной среде. Когда металлическое изделие находится в воздухе, окислители реагируют с углеродом, образуя оксиды (CO и CO2). Эти газы испаряются из поверхности, уменьшая прочность всей конструкции. До температуры 300 °C при воздействии водородсодержащих сред используют стали 20 и ЗОХМА. Если закалка проводится при большем нагреве, лучше взять стали, легированные хромом, титаном или ванадием.

Погружение металлической детали в охлаждающие среды или использование покрытий перед закаливанием предотвращают окисление и обезуглероживание. Полимерные или солевые растворы создают защитный слой на поверхности металла. Если все же образовалась окалина, ее можно механически удалить, например, с помощью щеток, струй песка или кислотной очистки. Однако есть вероятность повреждения верхнего тонкого слоя материала. Можно использовать нержавеющую сталь или сплавы с высоким содержанием хрома – они более стойкие к образованию ржавчины, предотвращают потерю углерода.

Виды закалки металла

Способ термообработки зависит от закаливаемости стали – способности подвергаться закаливанию и образовывать мартенситную структуру при быстром охлаждении из высокой температуры. Этот критерий определяет, насколько успешно сплав претерпевает обработку и достигает требуемой твердости и прочности. Наиболее распространенные типы закалки:

• Полная. Сплав нагревается до критической температуры, при которой происходит превращение аустенита в мартенсит, а затем быстро охлаждается в воде, масле или другой среде. Такой метод закаливания может приводить к возникновению внутренних напряжений и изменению размеров и формы металлических деталей. Поэтому после полной закалки часто проводят отпуск (темперирование).

• Частичная. Материал нагревается до критической точки Ас3, затем охлаждается только до той температуры, ниже которой превращение аустенита в мартенсит не происходит полностью (Ас1). Такое закаливание позволяет получить структуру смешанной фазы из байтенита или темперита. Она обладает более высокой прочностью и твердостью по сравнению с обычной отпускной структурой, но с меньшими внутренними напряжениями.

• Двойная. Включает две последовательные закалки. Материал сначала достигает критической точки и охлаждается, а затем снова нагревается до более низкой температуры и охлаждается повторно. Такое закаливание обеспечивает равномерность структуры, снижает возможность возникновения трещин или деформаций. Это особенно важно для больших и сложных деталей.

• Изотермическая. Подходит для высокоуглеродистых сталей –инструментальных (для стальных топоров, пружин, зубрил). Нагретые детали опускают в ванну с жидкой селитрой с температурой около 300 °C. В итоге получается бейнитная структура с высокой и средней твердостью, достаточной вязкостью. После изотермической закалки не требуется отпуск, так как напряжения снимаются во время медленного охлаждения.

Также бывает закалка с самоотпуском (сочетает в себе процессы нагревания и отпуска в одном цикле обработки), струйная (детали охлаждаются под высоким давлением направленной струей сжатого воздуха). В результате светлой термообработки поверхность остается чистой, и на ней не образуется оксидная пленка.

Можно ли выполнить закалку металла дома

Закаливание стального изделия в домашних условиях возможно, но требует тщательного планирования, безопасности и некоторого специализированного оборудования. Вам понадобится печка (вместо нее можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты), контейнер с охлаждающей средой (масло или вода), термометр для измерения температуры и щипцы или клещи для извлечения нагретого элемента. Важно обеспечить свою безопасность во время закаливания, надев соответствующую защитную экипировку: очки, перчатки и одежду.

Нагревание не должно сопровождаться возникновением на поверхности черных или синеватых пятен. Если нужно провести последующий отпуск, используется двухступенчатый метод охлаждения. Деталь сначала остывает в воде, а далее в минеральном или синтетическом масле. Если делать это самостоятельно, высокий шанс ошибиться в температурном режиме или других параметрах. Лучше обратится к проверенным компаниям, которые предоставляют услуги по закаливанию, отпуску, нормализации, отжигу. Производитель крепежей Трайв также доставляет готовые стальные изделия по Москве, Санкт-Петербургу и другим некоторым областям России.

Процесс закалки на костре менее контролируемый, поэтому результаты будут непредсказуемыми. Для топлива подойдут древесные опилки, угли. Его понадобится достаточное количество, чтобы поддерживать огонь все время закаливания. Поверхность стального изделия нужно очистить от грязи, ржавчины и других загрязнений. Достижение необходимой температуры можно проверить магнитным тестом: магнит перестает притягиваться к стали при нагреве до критической точки. После закалки нужно удалить элемент из охлаждающей среды, высушить его и удалить остатки окалины. При необходимости проводят дополнительное исправление – отпуск или отбортовку

Проверить успешность термической обработки можно наборами твердомера Роквелла или Бринелля, определяющими степень твердости поверхности. Также при правильной закалке на стали появляются радужные оттенки или перламутровый блеск. Некоторые типы сплавов становятся немагнитными после термообработки. Если постучать молотком или другим предметом по хорошо закаленной детали, она должна издавать более высокий и яркий звук.