Как происходит закалка стали, термическая обработка металла, виды закалки сплава

Закаливание металла — сложный технологический процесс. Если говорить коротко, он осуществляется путем разогрева сплава до температуры, когда кристаллическая решетка претерпевает изменения (или до более высокой), с последующим резким охлаждением в жидкой среде. Указанная температура различается в зависимости от вида металла.

Различают два типа термообработки (закалки) сплавов: с полиморфным превращением (у черных металлов) и без такового (у цветных). В ходе закаливания возрастает твердость сплава, однако он становится менее пластичным и вязким, особенно если повторить процедуру несколько раз. Чтобы избежать указанных негативных изменений, т.е. оставить материал достаточно пластичным и вязким, его отпускают. Данный процесс отрицательно сказывается на повышение прочности сплава, но эти отклонения несущественны. Если закаливают цветной металл, и процедура осуществляется без полиморфного превращения, материал старят.

В зависимости от температурного режима выделяют полное и неполное закаливание. Последнее обычно применяют для инструментальных сплавов. При полной закалке сплав приобретает аустенитные свойства, при этом изменяется структура кристаллической решетки, становясь гранецентрированной.

При выпуске некоторой продукции закаливается лишь часть заготовки (например, при изготовлении некоторых видов холодного оружия и инструментов обрабатывают лишь режущую кромку). При этом так называемый хамон (границу закаленного участка) можно обнаружить визуально.

Закаливание изделия может занимать различное время, в зависимости от используемого оборудования. В ходе испытаний в пересчете на 1 мм сечения получено следующее время закаливания:
• в электропечи — от 90 до 120 сек.;
• в пламенной печи – 60 сек.;
• в соляной ванне – 30 сек;
• и, наконец, наиболее быстро — в свинцовой ванне — 6 сек.

Для качественного закаливания необходимо быстро охладить материал. Процесс можно разделить на несколько стадий. Когда разогретую заготовку помещают в жидкость, обычно возникает тонкая прослойка пара, несколько замедляющая остывание. Процесс носит название пленочного кипения. При достижении определенной температуры, зависящей от используемого охладителя, прослойка пара разрывается и жидкий охладитель вскипает на поверхности заготовки — наступает стадия пузырькового кипения, во время которой скорость охлаждения существенно возрастает.
При дальнейшем снижении температуры кипение прекращается, а скорость остывания значительно уменьшается. Наступает фаза конвективного теплообмена.

В зависимости от используемых охлаждающих жидкостей различают следующие разновидности закаливания:
1. В одном охладителе. Стальную заготовку помещают в ванну с охлаждающей жидкостью, где и проводится вся процедура. Используется для углеродистых и легированных сплавов.
2. Прерывистое закаливание (в двух различных охладителях). Сначала происходит быстрое охлаждение (например, в водной ванне), а затем медленное (например, в масляной). Такую методику обычно применяют для высокоуглеродистых сплавов.
3. Струйчатое закаливание, осуществляемое под струей жидкости. При такой технологии фаза пленочного кипения отсутствует. Материал при этом прокаливается очень глубоко. Такая методика, как правило, применяется при закаливании части заготовки.
4. Ступенчатое закаливание. Заготовка помещается в разогретую выше мартенситной (для закаливаемого металла) температуры и выдерживается там, пока не достигнет температуры жидкости по всему объему. Затем материал медленно охлаждают.
5. Изотермическое закаливание. Изделие погружают в охлаждающую жидкость и держат там до образования в металле аустенитной структуры.

Быстрота остывания зависит от габаритов и конфигурации заготовки, теплопроводности металла и разновидности охладителя. Подбирать охлаждающую жидкость надо в зависимости от состава металла и доли углерода в нем. Сплавы, содержащие менее 20% углерода, не закаливают. Высокие механические напряжения в структуре металла, возникающие при резком охлаждении, могут деформировать и повредить заготовку из низкоуглеродистого сплава. Причины возникновения таких напряжений могут быть следующими: это либо высокий температурный градиент внутри изделия, либо несогласованные фазовые изменения в разных зонах.

В качестве охладителей применяют воду, щелочные и солевые растворы, минеральные масла, жидкий свинец и др. Охлаждение в воде происходит очень быстро, в результате чего часто возникают внутренние напряжения. Масла не всегда экономически оправданы и пожароопасны. Нередкой для закаливания металлов используют раствор обыкновенной поваренной соли или едкого натра.