Закаливание металла в масле

В.Я. Сыропятов, Е.В. Ильичев.

ЗАО «Накал»

Введение

Закалка – один из самых древних и наиболее широко известных процессов термообработки. За столетия она «обросла» массой легенд, суеверий и предрассудков.

  Однако, несмотря на кажущуюся простоту процесса и обилие материала в справочной литературе, термист-практик подчас сталкивается с серьезными проблемами. Особенно часто это происходит при освоении новой продукции или при повышении требований конечного пользователя к качеству продукции.

Закалить болт М22 из стали 40Х на твердость 40…45HRC для любого не проблема. Обеспечить при этом прочность по 10-му классу при производительности 120 кг/час, это уже вопрос.

Оба этих параметра – и рост требований, и повышение гибкости производства – являются сегодня непременными атрибутами нашей жизни.

Целью данной работы было, используя многолетний опыт, дать термисту-практику в новых условиях гибкий и надежный инструмент, обеспечивающий достаточно простое решение сложных вопросов.

Стратегический принцип Компании «Накал» — обеспечивать Заказчика комплектным оборудованием для термообработки, сопровождаемым надежным технологическим обеспечением. Закалочные баки – немаловажная составная часть комплектного оборудования.

Постановка задачи и выбор решения

Для большинства средне и экономно легированных сталей наибольший интерес представляет закалка на масло. И наиболее распространено индустриальное И-20А. Однако наличие массы нерешенных вопросов на практике закалки привело к поиску различных путей решения. Бурное развитие некоторое время назад получили синтетические закалочные среды — водные растворы полимеров.

В штучном производстве, при наличии мастерства и заинтересованности термиста, результаты получались прекрасные. Термист сам чувствует, когда и на сколько надо скорректировать закалочный раствор, какие детали и до какой степени подрагивания крючка или клещей надо «качать», а когда положить.

Сложнее задача оказалась в производстве, начиная с мелкосерийного, при необходимости закалки садок деталей, зачастую весом до 200…300 кг. И это при сменной работе персонала на фоне общего падения квалификации в условиях зачастую не определенной мотивации кадров.

Здесь корректировка раствора нужна практически ежедневная и не на глаз, а с помощью специальной аппаратуры для определения закаливающей способности раствора. В противном случае достаточно легко получить как низкую твердость, так и трещины с неприемлемыми деформациями. Стоимость подобной аппаратуры начинается от 100 тысяч рублей.

Обязательное условие – наличие обученного персонала, могущего с высокой степенью надежности интерпретировать результаты испытаний и предпринять правильные действия. Подобные решения доступны далеко не всем, и технолог-термист зачастую остается один на один с масляным баком, «пятнистыми» деталями и справочником термиста.

Из курса технологии термообработки нам известно – основная задача при закалке на масло это снятие паровой рубашки с поверхности деталей.

Справочник рекомендует обычно три решения: барботаж сжатым воздухом, возвратно-поступательное перемещение садки в масле и масляный насос. Если имеется компрессорная, выбирают первое решение. Если нет, но удается «пробить», ставят насос для циркуляции, НШ-40 или НШ-100.

Если ни того ни другого, остается произвол термиста, работающего на тельфере. Однако, первые два пути имеют свои подводные камни.

Сколько дать сжатого воздуха и в какое место бака, в зависимости от конфигурации садки совершенно не однозначно. Чаще всего закаливающая способность бурно «кипящего» масла снижается – воздух прекрасный теплоизолятор.

Доступные масляные насосы, обеспечивая высокое давление, чаще всего не имеют нужных нам показателей по производительности, и, опять же, неоднозначно как направить поток на садку деталей.

Немаловажно и то, что абсолютно герметичных насосов по приемлемой цене не существует и возникает проблема борьбы с подтеканием масла.

Решение, между тем, существует. Универсальные печи, проходные толкательные агрегаты, СНЦА, Пекаты, Холкрофты, конструкции ЗИЛ и т.п. Все они имели мешалки масла в закалочных баках.

Конечно, проблемы были, но несоизмеримо меньшие, чем при других вариантах.

Основным направлением были поиск и разработка новых закалочных масел с целью расширения температурного интервала в порядке борьбы с деформациями.

Сложилась уникальная ситуация: крупные предприятия, имеющие прекрасные закалочные баки в линиях термообработки, зачастую не работают на полную мощность, а малые и средние предприятия, быстро развивающиеся в условиях растущей децентрализации и специализации производства, не имеют возможности использовать подобное оборудование. Чаще всего для большинства термистов доступны шахтные и камерные нагревательные электропечи. И не только ввиду стоимости собственно оборудования. Инженерная обвязка универсальной печи с встроенным закалочным баком, агрегатированной в комплексе с моечной машиной и отпускными печами, стоит неизмеримо больше.

Одно из условий, принятое во внимание при принятии решения состоит в том, что наш закалочный бак должен быть гибким инструментом. Немногие наши партнеры могут сказать, что они калят одну и ту же деталь каждый день в течение года. Растет номенклатура деталей и количество борабатываемых марок сталей.

Общее решение: наш бак должен иметь мешалку с возможностью регулирования потока масла, т.е. управляемый потокообразователь закалочного масла. В этом случае технолог должен иметь возможность легко регулировать процесс закалки.

Например, на тонких деталях, где нет проблем с прокаливаемостью, создавать меньший поток для снижения деформаций, на деталях большего сечения увеличивать поток для обеспечения снятия паровой рубашки.

Серьезная проблема – обеспечение равномерного снятия паровой рубашки на деталях, загружаемых в оснастку «навалом».

Всем этим условиям удовлетворяет одна из идей первой половины 70-х годов, прошедшая, по странному стечению обстоятельств, незамеченной широкой общественностью термистов. Причина, возможно, кроется в том, что именно в этот период набирало темпы всеобщее увлечение водными растворами полимеров.

Однако, в технической литературе встречались теоретические разработки, доказывавшие очевидную истину: именно ламинарный поток закалочной среды обеспечивает равномерное удаление паровой рубашки с поверхности обрабатываемых деталей. Линейная скорость потока определяет скорость охлаждения и получаемый при закалке результат.

Линейная скорость потока определяется соотношением ламинарной и турбулентной составляющих. Повышение турбулентности потока ведет к снижению его ламинарности и снижению его линейной скорости. Для специалиста по плотинам, турбинам и вообще гидродинамике это очевидные, прописные истины.

В приложении к технологии, имеющей 2-х тысячелетнюю историю, они звучат как откровении.

В течение последних 20 лет автором данной работы идея реализовывалась при модернизации оборудования на 12 объектах и с обязательным положительным результатом. Доведение же до серийного продукта, в отсутствии объективной потребности и производственной базы, не представлялось целесообразным.

Методика испытаний и обсуждение результатов

В порядке инициативных исследовательских и опытно-конструкторских работ Компании был изготовлен масляный закалочный бак объемом 700 л.

Бак был оснащен системой регулирования температуры: нагреватели ТЭН мощностью 16 кВт, термометр сопротивления градуировки Pt100, регулятор «Термодат-10».

При превышении температуры включался насос охлаждения НШ-40, перекачивающий масло через водоохлаждаемый теплообменник.

Для создания управляемого потока масла бак был оснащен 4-х лопастной крыльчаткой, установленной в отделенной от основного пространства перегородкой части бака. Крыльчатка имела привод от асинхронного двигателя переменного тока мощностью 4 кВт и максимальным числом оборотов 930 об/мин, рис. 1.

Закаливание металла в масле

Для управления двигателем использовали фазочастотный преобразователь. Это обеспечивало возможность плавного либо ступенчатого изменения числа оборотов и, соответственно, скорости потока закалочного масла.

Испытания проводили на масле индустриальном И-20А. Рабочей температурой был выбран интервал 50…70°С.

Первичные испытания методом замера движения марок в потоке показали, что c увеличением числа оборотов скорость потока растет, Рис. 2.

Закаливание металла в масле

Рис. 2. Изменение скорости потока закалочного масла в зависимости от скорости вращения крыльчатки потокообразователя.

Как видно из приведенных результатов, в диапазоне от 200 до 500 об/мин имеется практически прямо пропорциональная линейная зависимость скорости потока от скорости вращения крыльчатки. Интересна и достигаемая с двигателем 4 кВт при 600 об/мин скорость потока 8 м3/мин.

Закономерен вопро: каких размеров насос может это обеспечить? С повышением скорости вращения крыльчатки характер роста скорости потока меняется, прирост скорости потока с увеличением числа оборотов уменьшается, что косвенно свидетельствует об изменении характера потока масла.

Для качественной оценки явления были проведены замеры гидростатического давления потока масла. Измерения проводились посредством погруженной в поток трубки, соединенной с U-образным водным манометром. Результаты приведены на Рис. 3.

Закаливание металла в масле

Риc. 3. Изменение статического давления в потоке масла с изменением числа оборотов крыльчатки.

Как видно из приведенных результатов, при достижении и превышении 550…600 об/мин практически не меняются как скорость, так и давление потока масла.

Были проведены замеры распределения давления по сечению бака при различной частоте вращения крыльчатки. До 600 об/мин разница в давлении в разных точках потока практически не наблюдалась. С превышением указанной величины разница давления по разным точкам замера достигала 500 Па, наблюдались точки с давлением, равным атмосферному.

Естественным следует вывод о переходе потока масла из преимущественно ламинарного в турбулентный при превышении частотой вращения величины 600 об/мин. Для рассматриваемой задачи – получения управляемого закалочного устройства с равномерными и повторимыми результатами — предположительно был необходим интервал именно преимущественно ламинарного потока.

Таким образом, для натурных испытаний управляемого потокообразователя был выбран диапазон частоты вращения крыльчатки 100…600 об/мин.

Испытания свойств устройства проводили при закалке деталей ст. 40Х в виде пластин толщиной 16 мм и габаритами 120Х200 мм. Детали загружались в жаропрочную корзину Æ 550 мм, высотой 400 мм.

Суммарная загрузка составляла 140 кг, с учетом корзины масса садки составляла 180 кг. Между деталями размещали образцы-свидетели из сталей 40Х и 30ХГСА Æ 30 мм и длиной 50 мм.

Пластины укладывались вертикально с обеспечением возможности их омывания потоком масла, при этом в целях полной загрузки касания пластин не исключали.

Нагрев под закалку проводили в шахтной электропечи СШЦМ-6.6/9,5 с защитной атмосферой, температура нагрева 860°С, выдержка 30 минут по достижении температуры. Время выдержки установили контрольным замером с помощью погружной термопары на первой садке и в дальнейшем не меняли.

Перенос садки на закалку осуществлялся электротельфером, время переноса составляло в среднем 10 сек. Температура масла в момент погружения деталей составляла 50°С, при 60°С включался насос охлаждения масла, в дальнейшем температура масла поднималась до 70°С, далее снижалась до установленной.

Закалку опытных садок проводили при частотах вращения крыльчатки 15, 250, 350 450 и 550 об/мин.

На поперечных шлифах образцов-свидетелей и, выборочно, деталей оценивали микроструктуры и изменение твердости по сечению. Измерение твердости проводили на твердомере Роквелл с нагрузкой 150 кгс. Микроструктуру оценивали после травления 5 % спиртовым раствором HNO3 при увеличении 400 крат.

Закаливание металла в масле

Рис. 4. Изменение твердости поверхности образцов-свидетелей в зависимости от частоты вращения крыльчатки потокообразователя.

Как видно из приведенных на рис. 4 результатов, твердость поверхности стали 40Х с увеличением числа оборотов растет до 54 HRC при 450 об/мин и далее не меняется. Твердость поверхности стали 30ХГСА растет с увеличением числа оборотов до 350 об/мин, далее несколько снижается.

Читайте также:  Гаражные ворота из профильной трубы своими руками

Закаливание металла в масле

Рис. 5. Изменение твердости от поверхности по сечению образцов-свидетелей ст. 40Х Æ 30 мм после закалки с разной частотой вращения крыльчатки.

Закаливание металла в масле

Рис. 6. Изменение твердости от поверхности по сечению образцов-свидетелей ст. 30ХГСА Æ 30 мм после закалки с разной частотой вращения крыльчатки.

Анализ микроструктуры, например, рис. 7 и рис. 8, объясняет снижение микротвердости от поверхности к сердцевине. Во всех случаях имеет место появление все большего количества феррита. Его исключение путем подбора оптимальных характеристик работы потокообразователя позволяет обеспечить сквозную закалку с гомогенной твердостью и высокие прочностные характеристики деталей.

Закаливание металла в масле

Рис.7. Микроструктура сердцевины образца ст. 40Х прошедшего закалку при 250 об/мин. Снято при увеличении 400 крат.

Закаливание металла в масле

Рис.8. Микроструктура сердцевины образца ст. 40Х прошедшего закалку при 450 об/мин. Снято при увеличении 400 крат.

  • Интересен так же результат по зависимости твердости от скорости потока закалочного масла: для стали 40Х оптимальный диапазон 450…550 об/мин, а для стали 30ХГСА 350 об/мин.
  • Обращают на себя внимание также непривычно высокие для данных марок сталей величины твердости.
  • Представляется, что обнаруженные эффекты должны быть темой более подробного изучения с привлечением тонких методов исследования.

В целом испытания показали оправданность сделанного выбора.

Созданный потокообразователь обеспечивает быструю, с минимальным набором измерительных средств и за минимальное время, отладку и оптимизацию процесса закалки для каждой марки стали в зависимости от конфигурации деталей и вида оснастки. В дальнейшем один раз отработанная технология обеспечивает высокую степень повторимости результатов.

Применяемый фазочастотный преобразователь показал высокую надежность в работе, простоту настройки и гибкость в управлении.

Управление скоростью врашения осуществляется либо потенциаметром с контролем установленной величины, либо набором тумблеров на заранее запрограммированные частоты.

При этом предусматривается возможность дежурного режима – медленное перемешивание масла при разогреве для исключения локалного перегрева в зоне расположения нагревателей.

В течение года эксплуатации на собственном термическом производстве практически не имелось проблем с заниженной или неравномерной твердостью деталей после закалки.

Компания, исходя из стратегической линии на комплексное и максимально полное обеспечение требований заказчиков, приступила к комплектации серийных масляных ванн (масляных закалочных баков) управляемых потокообразователем закалочного масла.

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закаливание металла в маслеЗакалка стали

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

  1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
  2. Быстрое охлаждение.
  3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

  • увеличивается твердость и прочность;
  • уменьшается зерно;
  • снижается гибкость и пластичность;
  • повышается хрупкость;
  • увеличивается устойчивость к стиранию;
  • уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

  1. Нормализация для улучшения структуры.
  2. Нагрев до температуры закалки.
  3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Закаливание металла в маслеИзотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

  • марки стали;
  • требуемой твердости;
  • режима работы детали;
  • габаритов.

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Закаливание металла в маслеЗакалка в домашних условиях

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

  • одна часть под закаливаемым изделием;
  • две сверху.
Читайте также:  Мельхиор: состав сплава, особенности, отличия от серебра

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

  1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
  2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
  3. Внутри сделать поддон — площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
  4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
  5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
  6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
  7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Закалочные масла и термическая обработка металлов

Закалка – это вид термической обработки изделий из металлов и сплавов для придания им высокой твердости, прочности, износостойкости

Виды термической обработки металлов

Отжиг

Назначение процесса Уменьшение твердости стали для повышения обрабатываемости; улучшение структуры; снятие внутренних напряжений; достижение большей однородности металла.

Описание процесса

Медленный нагрев до 740-850 0С *, выдержка, медленное охлаждение

Нормализация

Назначение процесса Сталь приобретает повышенные значения прочности, твердости и ударной вязкости и более низкую пластичность по сравнению с отожженной.

Описание процесса

Нагрев до температуры выше критической* (температуры изменения типа кристаллической решетки), выдержка, охлаждение на спокойном воздухе.

Закалка

Назначение процессаДостижение высокой твердости, прочности, и, следовательно, износостойкости стали.Образуется неравновесная структура, требует последующего отпуска.

Описание процесса

Нагрев до температуры выше критической * (температуры изменения типа кристаллической решетки), выдержка, быстрое охлаждение.

Отпуск

Назначение процессаПолучение более высокой пластичности и уменьшение хрупкости мартенситной структуры при сохранении уровня прочности; освобождение от напряжений

Описание процесса

Нагрев от 150-260 0С до 370-650 0С *, выдержка, медленное охлаждение на воздухе.

Примечание: * Температура зависит от типа обрабатываемого металла

Влияние масла при термической обработке металлов

  • Проводится нагрев выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки) закалку сталей называют «закалка на мартенсит».
  • Выдержка при заданной температуре.
  • Быстрое охлаждение в жидкости (воде или масле).
  • Важны:

  • температура нагрева
  • продолжительность нагрева
  • скорость охлаждения
  • При закалке в масле на изделии образуется значительно меньше тепловых трещин, чем при закалке в воде.

    Типы закалки:

    Холодная закалка (30-80 0С):

  • термическое улучшение деталей свободной ковки и объемной штамповки закалка ручных инструментов;
  • непосредственная закалка из кузнечного жара термическое улучшение заготовок;
  • закалка листовых и винтовых пружин;
  • закалка высокопрочных болтов, гаек, подкладных шайб, и т.п.
  • Горячая закалка(165-220 0С):Закалка деталей высокой точности (например, деталей приводного механизма автомобилей), где необходимо исключить опасность искривления поверхности.

    Вакуумная

    Закалка инструментальной, подшипниковой, жаропрочной, быстрорежущей стали.

    Закалочные масла

    Это масла, используемые в качестве рабочей среды в процессах термической обработки металлов. Позволяют получать стальные изделия с заданными значениями твердости, требуемой структуры и чистоты поверхности.

    Важные критерии выбора масла:

  • температура вспышки масла в открытом тигле (определяется качеством базового масла) — должна быть на 30 0С ниже температуры процесса
  • обеспечиваемая скорость охлаждения (может регулироваться пакетом присадок).
  • Для повышения эффективности процессов закалки в масла добавляют следующие типы присадок:

  • улучшающие эксплуатационные свойства масел;
  • влияющие на скорость закалки (отвод тепла);
  • способствующие удалению остатков масла при промывке деталей после закалки.
  • Закалочные масла должны обладать следующими свойствами:

  • высокая термическая и химическая стабильность (сохранение свойств в течение всего срока службы)
  • моющие свойства (в масле накапливаются осадки, окалина с поверхности деталей)
  • высокая стойкость к испарению (использование в открытых закалочных резервуарах)
  • хорошие антипенные свойства (сильное завихрение горячего масла в закалочных резервуарах)
  • определенный уровень вязкости (зависит от температуры закалки; влияет на потери масла при извлечении деталей из резервуаров)
  • отсутствие воды (влияет на вспенивание масла; создание «мягких мест» на поверхности закаливаемых деталей)
  • История выпуска закалочных масел

  • Распад СССР и развал экономических связей между предприятиями, которые «разошлись» в различные бизнесс-группы, повлиял на прекращение выпуска масел МЗМ традиционными производителями.
  • Предприятия-потребители ЗМ вынуждены были в ущерб качеству и безопасности использовать масла без присадок (как наиболее дешёвые) или закупать дорогие импортные закалочные масла;

  • Закалочные масла серии МЗМ были освоены для нужд автомобильной промышленности взамен импортных;
  • В конце 90-х годов малые и средние предприятия (блэндинги) начали активно осваивать производство закалочных масел. Такие предприятия не могли: — Полностью обеспечить потребность в таких маслах;

    — Обеспечить качество масел из-за отсутствия стабильных источников сырья, а также использования «экономичных» рецептур;

  • В настоящее время на рынке России имеется ряд производителей закалочных масел, но лишь один из них обладает собственными ресурсами базовых масел
  • Появилась возможность выбора технологии закалочных масел: начиная от более простой и проверенной для получения конкурентных по показателю цена/качество продуктов и заканчивая использованием импортных пакетов, позволяющих влиять даже на скорость закалки (скорость охлаждения)
  • Серия Газпромнефть Термойл

    Термойл 16 Термойл 26 Термойл 120

  • Диапазон вязкости при 50 0С от 16 до 120 мм2/с позволит использовать масла как охлаждающую среду при температурах до 220 0С, в зависимости от условий и назначения процесса термообработки.
  • Масла серии Газпромнефть Термойл изготовлены по проверенной технологии и обладают полным набором стабильных эксплуатационных свойств.
  • Проводится работа по программе испытаний серии Газпромнефть Термойл у основных потребителей, таких как КАМАЗ и АВТОВАЗ.
    • Основные потребители закалочных масел ОАО «АВТОВАЗ» ЗАО «Челябпроммаш» Камский автозавод – КАМАЗ Завод имени Лихачева – ЗиЛ Чебоксарский тракторный завод – ЧЗПТ Челябинский тракторный завод – ЧТЗ Владимирский тракторный завод – ВТЗ Волгоградский тракторный завод – ВгТЗ Липецкий тракторный завод – ЛТЗ Ростсельмаш Уральский завод тяжелого машиностроения Ижорские заводы Новокраматорский машиностроительный завод Красноярский завод тяжелого машиностроения ОАО «ПО СЕВМАШ» ОАО «Восточно-Сибирский машиностроительный завод»

    • Производители закалочных масел

    • В России закалочные масла производят:
    • ООО «Полиэфир» ——>масла МЗМ-16, МЗМ-26, МЗМ-120
    • Импортные масла:

    Термическая обработка металлов и закалочные масла

    Как закалить металл в домашних условиях? Закалка — это вид термической обработки железоуглеродистых сплавов. Эти сплавы формально называют сталью. Как правило, процесс термической обработки стали осуществляется путем нагревания, быстрого охлаждения и повторного нагрева выбранного материала.

    Когда сталь быстро охлаждается, атомы «замораживаются» в нестабильном положении. Сталь очень твердая, но очень хрупкая. При отпуске стали атомам разрешается перестраиваться в более устойчивое положение. Твердость стали приносится в жертву пластичности (способность материалов к растяжению или деформации). Конечным результатом является материал с повышенной прочностью и ударной вязкостью.

    Эти свойства позволяют материалу изгибаться перед разрушением и не ломаться, что может быть полезным во многих структурных применениях.

    Выполненные этапы представляют собой общую схему, демонстрирующую, как некоторые механические свойства стали повышаются при отпуске.

    Различные составы и другие сплавы стали могут требовать различного времени нагрева и температуры, а также разных закалочных сред в зависимости от использования материала. В нашем общем случае потребуется 10-15 минут.

    Если ваши шаги отличаются от того, что приведено в общей процедуре, то, возможно, потребуется предпринять дополнительные меры для обеспечения надлежащей безопасности. Огонь будет исходить от паяльной лампы, поэтому будьте предельно осторожны при нагревании стали. Наконец, рекомендуется всегда надевать защитные перчатки, особенно для более сложных процедур.

      Ножовка по металлу ручная 150 мм: выбор, нюансы работы

    Вещи, которые вам понадобятся:

    • Паяльная лампа
    • Два стальных стержня марки 1040 по 15 см
    • Огнетушитель
    • Защитные очки и перчатки
    • Холодная водопроводная вода в большом ведре

    Существуют следующие способы термической обработки металлов:

    • Отжиг
    • Нормализация
    • Закалка
    • Отпуск
    Способ Задача Описание процесса
    Отжиг Уменьшение твердости стали для более качественной обработки, улучшение структуры металла, достижение его большей однородности, снятие внутренних напряжений Медленный нагрев металла до +740…+850 °С*, выдержка, медленное охлаждение
    Нормализация Повышение прочности, твердости и ударной вязкости стали, более низкая пластичность стали по сравнению с отожженной Нагрев до температуры выше критической (температуры изменения типа кристаллической решетки), выдержка, охлаждение на спокойном воздухе
    Закалка Достижение высокой твердости, прочности, а следовательно, износостойкости стали. При использовании этого метода образуется неравновесная структура, требующая последующего отпуска Нагрев до температуры выше критической, выдержка при заданной температуре, быстрое охлаждение в жидкой среде (воде или масле)
    Отпуск Получение более высокой пластичности и уменьшение хрупкости мартенситной структуры при сохранении уровня прочности, освобождение от напряжения Нагрев от +150…+260 °С до +370…650 °С, выдержка, медленное охлаждение на воздухе

    Примечание: * Температура зависит от типа обрабатываемого металла.

    Выделяются следующие типы закалки:

    • Холодная закалка (+30…+80 °С): для термического улучшения деталей свободной ковки и объемной штамповки, закалки ручных инструментов, листовых и винтовых пружин, высокопрочных болтов, гаек, подкладных шайб и т.п.
    • Горячая закалка (+165…+220 °С): для закалки деталей высокой точности (например, деталей приводного механизма автомобилей), где необходимо исключить опасность искривления поверхности
    • Вакуумная закалка: для инструментальной, подшипниковой, жаропрочной, быстрорежущей стали

    При термической обработке металлов и сплавов методом закалки очень важно учитывать температуру и продолжительность нагрева, а также скорость охлаждения.

    В качестве рабочей среды в процессе закалки металла используются вода или специальное масло.

    При закалке с применением масла на изделии образуется значительно меньше тепловых трещин, чем при закалке в воде.

    Производство отечественных закалочных масел начало активно развиваться в конце 90-х годов. В настоящее время на российском рынке имеется целый ряд этих продуктов: от более простых и проверенных до дорогостоящих импортных, которые могут влиять на скорость охлаждения.

    Закалочные масла позволяют получать стальные изделия с заданными значениями твердости, требуемой структуры и чистоты поверхности.

    При выборе масла необходимо учитывать температуру его вспышки в открытом тигле. Она определяется качеством базового масла и должна быть на 30 ниже температуры общего процесса. Присадки вводятся в состав закалочного масла в целях повышения его эффективности или ускорения процесса отвода тепла.

    Закалочные масла должны обладать следующими свойствами:

    • Высокая термическая и химическая стабильность (сохранение свойств в течение всего срока службы)
    • Хорошие моющие свойства (в масле накапливаются осадки, окалина с поверхности деталей)
    • Высокая стойкость к испарению (использование в открытых закалочных резервуарах)
    • Хорошие антипенные свойства (сильное завихрение горячего масла в закалочных резервуарах)
    • Определенный уровень вязкости (зависит от температуры закалки и влияет на потери масла при извлечении деталей из резервуаров)
    • Отсутствие воды (влияет на вспенивание масла)

    Как закалить металл в домашних условиях

    Процесс закалки стали позволяет повысить твердость изделия примерно в 3-4 раза. Многие производители проводят подобный процесс на момент производства продукции, однако в некоторых случаях ее следует повторить, так как твердость стали или другого сплава имеет малый уровень. Именно поэтому многие задаются вопросом, как закалить металл в домашних условиях?

    Проверка качества закалки

    Для того чтобы определить, удалось ли закалить изделие из стали до нужной твердости, у домашнего мастера не так уж и много способов. Традиционный — это попробовать поцарапать металл надфилем (не алмазным), который обычно имеет твердость 55÷60 HRC.

    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.

    Методика

    Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно.

    Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение.

    Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

    Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

    1. При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
    2. При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

    Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

    Как самостоятельно провести отпуск

    Отпуск стали проводят для снижения ее хрупкости и повышения пластичности, что происходит во время ее нагрева до невысокой (по сравнению с закалкой) температуры с последующим медленным охлаждением.

    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.

    Особенности процесса

    Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

    1. Нагрев должен проходить равномерно. Только в этом случае структура материала однородна.
    2. Нагрев стали должен проходить без образования черных или синих пятен, что свидетельствует о сильном перегреве поверхности.
    3. Образец нельзя нагревать до крайнего состояния, так как изменения структуры будут необратимыми.
    4. На правильность проведения нагрева стали указывает ярко-красный цвет металла.
    5. Охлаждение также должно быть проведено равномерно, для чего используется водяная ванна.
    • Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве
    • Эти моменты рекомендуется учитывать при рассмотрении того, как провести закалку в домашних условиях.
    • Режимы закалки и отпуска сталей

    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

    Масло довольно плохо проводит тепло, что способствует более медленному формированию структурных элементов стали. Поэтому, если ее закалить в масляной среде, она наравне с твердостью приобретет прочность и упругость. 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.

    Оборудование и особенности проводимого процесса

    Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

      Как рассчитать длину сварного шва трубы калькулятор

    1. электропечь;
    2. паяльная лампа;
    3. термопечь;
    4. большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

    Передвижной горн для нагрева деталей

    При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

    В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

    Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

    Изготовление камеры для закаливания металла

    Основным материалом для изготовления корпусов домашних печей для закалки стали являются твердые огнеупоры в виде блоков различных размеров и шамотная глина. 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.

    Повышение твердости на открытом огне

    В быту зачастую закалку проводят на открытом огне. Этот метод подходит исключительно для разового проведения процесса повышения твердости поверхности.

    Всю работу можно разделить на несколько этапов:

    1. для начала следует провести разведение костра;
    2. на момент разведения костра подготавливаются две большие тары, которые будут соответствовать размеру детали;
    3. для того чтобы костер давал больше жара нужно обеспечить большое количество углей. они дают много жара на протяжении длительного времени;
    4. в одной емкости должна содержаться вода, в другой – моторное масло;
    5. следует использовать специальные инструменты, при помощи которых будет удерживаться обрабатываемая раскаленная деталь. на видео часто можно встретить кузнечные клещи, которые наиболее эффективны;
    6. после подготовки необходимых инструментов следует положить предмет в самый центр пламени. при этом можно деталь зарыть в самую глубь углей, что обеспечит нагрев металла до плавкого состояния;
    7. угольки, которые имеют ярко белый цвет – раскалены больше других. за процессом плавки металла нужно следить пристально. пламя должно быть малиновым, но не белым. если огонь белый, то есть вероятность перегрева металла. в этом случае эксплуатационные качества значительно ухудшаются, а срок службы уменьшается;
    8. правильный цвет, равномерный по всей поверхности, определяет равномерность нагрева металла;
    9. если происходит потемнение до синего цвета, то это говорит о сильном размягчении металла, то есть он становится излишне пластичным. этого нельзя допускать, так как значительно нарушается структура;
    10. при полном разогреве металла его следует убрать с очага высокой температуры;
    11. после этого следует раскаленный металл поместить в тару с маслом с частотой 3 секунды;
    12. завершающим этапом можно назвать погружение детали в воду. При этом периодически проводится взбалтывание воды. Это связано с тем, что вода быстро нагревается вокруг изделия.

    При выполнении работы следует уделять внимание осторожности, так как раскаленное масло может нанести вред коже. На видео можно обратить внимание на то, какого цвета должна быть поверхность при достижении нужной степени пластичности.

    Но для закалки цветных металлов зачастую нужно оказывать воздействие температуры в промежутке ль 700 до 900 градусов Цельсия. На открытом огне провести нагрев цветных сплавов практически не возможно, так как достигнуть подобной температуры без специального оборудования нельзя.

    Примером можно назвать использование электропечи, которая способна нагревать поверхность до 800 градусов Цельсия.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector