Каленый металл что это

Обновлено: 20.09.2024

В этой статье мы подробно расскажем о технологиях обработки заготовок и изделий из закаленных металлов. Особое внимание уделим следующим основным вопросам.

Содержание

Каленый металл (характеристики и особенности материала, инструменты для обработки, применяемые технологии, важные нюансы)

Что такое закалка металла?

Важные особенности закалки стали

Особенности охлаждения различных деталей и изделий

Какой инструмент выбрать для сверления каленого металла
Советы по применению СОЖ при обработке каленого металла

Технология нарезания внутренних резьб
Технология нарезания наружных резьб

Что такое закалка металла?

Какие характеристики материалов улучшаются после дополнительной обработки?

Какие инструменты и технологии применяют для выполнения основных операций с заготовками и изделиями из каленого металла?

Что такое закалка металла?

Закалка — это один из видов дополнительной обработки металла, предполагающий:

нагрев заготовки или изделия выше критической температуры, при которой кристаллическая решетка материала изменяет свою структуру;

быстрое охлаждение стали.

Важно! Материалы нагревают выше определенных критических температур. Для каждого металла они отличаются.

Фотография №1: процесс закалки

Для улучшения физико-химических свойств металлов применяют различные виды закалки.

С полиморфным вращением. По этой технологии закаливают стали и сплавы на основе черных металлов. Для нормализации пластичности и вязкости, а также для снижения хрупкости используют отпуск. Он незначительно уменьшает прочность заготовок и изделий.

Без полиморфного вращения. По этой технологии закаливают цветные металлы и сплавы на их основе. Нужные характеристики материалы приобретают после процесса «старения».

Для закалки металлов применяют различные охладители. При этом технологии отличаются. Расскажем об их особенностях.

Закалка в одном охладителе. Нагретый металл просто погружают в закалочную жидкость до полного охлаждения.

Изотермическая закалка. Деталь или изделие выдерживается в охладительной среде только до тех пор, пока не произойдет изотермическое преобразование кристаллической решетки. При этом образуется аустенит.

Прерывистая закалка. Этот метод повышения физико-химических свойств металлов и сплавов предполагает использование двух охлаждающих сред. Вначале заготовка или изделие быстро охлаждается в первичной среде (вода). Затем происходит медленное остывание, к примеру, в масле. Таким способом закаливают углеродистую сталь и изделия из нее.

Ступенчатая закалка. Ее проводят в среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки. При этом металл приобретает температуру закалочной ванны во всех точках сечения. После этого происходит окончательное медленное охлаждение заготовки или изделия.

Струйчатая закалка. Предполагает обрызгивание металла струей воды. Чаще всего этот способ используют для повышения физико-химических свойств частей деталей или изделий. Технология обеспечивает более высокую степень прокаливаемости.

Перечислим основные охлаждающие среды.

К самым лучшим охлаждающим средам относят растворы поваренной соли и каустической соды.

Важные особенности закалки стали

Экономическая эффективность закалки напрямую зависит от скорости термообработки и охлаждения. Чем она выше, тем меньше расходуется энергии. Однако быстрый нагрев приводит к возникновению большого перепада температур между поверхностными слоями и сердцевинами изделий. В результате появляются трещины и происходят деформации. Именно поэтому термическая обработка проводится плавно и равномерно. Процесс контролирует технолог-термист. Используются табличные значения и эмпирические формулы.

На процесс преобразования структуры и изменения состава металла при его калении напрямую влияет скорость охлаждения заготовки или изделия. Например, быстрое охлаждение с применением обычной воды комнатной температуры приводит к получению углеродистой стали с мартенситной структурой, а при использовании горячей жидкости или масел получаются трооститы.

Режимы термической обработки и охлаждения также зависят от форм и размеров деталей и изделий. Поэтому в каждом конкретном случае специалисты разрабатывают индивидуальные операционные карты и маршрутные технологии.

Технология получения каленого металла выглядит так.

Все поверхности тщательно очищаются от ржавчины, масла и иных загрязнений.
Деталь или изделие равномерно прогревается до нужной температуры.
Производятся охлаждение и отпуск.

При калении металла в домашних условиях температуру изделий и заготовок определяют по цветам побежалости. Ориентируйтесь по данным из таблицы.

Каленый металл что это

Эти понятия часто путают.

Термин «каление» в общем смысле означает «нагретый до высоких температур». И все. Применительно к металлам: достижение металлом определенной температуры сопровождается появлением характерного цвета – красного, желтого или белого. При нагреве в муфельной печи начало видимого свечения металла соответствует температуре порядка 600 о С. О цветах каления подробно сказано в Википедии:

Температура, о С	Цвет каления
550	Темно-коричневый
630	Кроичнево-красный
680	Темно-красный
740	Темно-вишневый
770	Вишневый
800	Ярко- или светло-вишневый
850	Ярко- или светло-красный
900	Ярко-красный
950	Желто-красный
1000	Желтый
1100	Ярко- или светло-желтый
1200	Желто-белый
1300	Белый

Цвет каления давал хорошее качественное представление о температуре металла – чем светлее, тем горячее. Поэтому тот кузнец, который мог лучше различать цвета и выбрать оптимальный цвет (= температуру), получал более качественные изделия.

(Понятно, что скверну выжигали каленым железом – самым эффективным, что было в арсенале средств борьбы. Понятно также, что это использовали и палачи – если железо красное, то точно будет больно, и очень. Относительно каленых орешков – их «калят», т.е. нагревают до высокой температуры для того, чтобы сделать скорлупу хрупкой и облегчить извлечение ядрышка. Т.е. в процессе нагрева орехов скорлупа меняет свои свойства. Собственно, то же самое относится и к семечкам. «Щелкать» можно только сушеные или жареные семечки, именно потому, что они сухие. С сырыми - не получится.)

Относительно металла. В первом приближении, если металл нагреть, а потом неспешно охладить, то по окончании охлаждения он будет таким же, как до нагрева (или почти таким же). На рисунке 1 показана структура армко-железа в исходном состоянии (рис.1, а) и после нагрева до 900 о С (рис.1,б). Видно, что размер зерна не изменился, а вот структура внутри зерна, скорее всего, изменилась. Могли измениться и свойства. Тот и другой образец травили одинаково, однако структура выглядит по-разному.


а	б

Рисунок 1. Армко -железо в исходном состоянии (а) и после нагрева до высоких температур (б).

Что касается стали, если нагреть ее до температуры существования аустенита, да еще выдержать при этой температуре, то может измениться размер аустенитного зерна; это окажет влияние на свойства. Но это уже дальше от нашей темы.
А вот если охладить сталь быстро, то состояние ее кардинально изменится. Это будет уже закаленная сталь.
Закалка стали – это вид термической обработки, который заключается в нагреве стали на 30—50 ºС выше критической точки (выше А_с1 для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и выше А_с3 для доэвтектоидных), выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической. Целью закалки является получение структуры мартенсита, который придает стали совершенно другие свойства.
Закалка имеет смысл только для сплавов с переменной растворимостью легирующих элементов при изменении температуры (есть «закалка вакансий», но это не тема данной статьи). Поэтому закалка, например железа, не имеет смысла с технологической точки зрения.
Закалка интересна именно большой скоростью охлаждения, поскольку позволяет 1) зафиксировать высокотемпературное состояние (например пересыщенный твердый раствор) и/или 2) создать структуру, имеющую определенные свойства, отличающиеся от свойств медленно охлажденного металла. Результат закалки показан на рисунке 2. В стали, не прошедшей закалку, структура представляет собой зерна феррита и перлита (рис.1, а). После закалки сталь имеет структуру мартенсита (рис.1,б) Соответственно, свойства стали до и после закалки будут разными.


а	б

Рисунок 2. Сталь до (а) и после (б) закалки.

Т.е., когда вместо «закаленный» говорят «каленый», это неверно.

В литературных источниках, в том числе в интернете, упоминаются каленые стрелы.Да, стальные стрелы могли иметь закаленный наконечник. Но не каленый. Вероятно, смешение понятий получилось потому, что сначала этот наконечник надо нагреть до температуры каления. Собственно, температура закалки для разных сталей составляет примерно от 850 до 1100 о С и лежит как раз в интервале цветов красного и желтого каления.
Есть еще интересный момент. Если стрелы (или наконечники к ним) ковали в кузнице, то для этого надо было их разогреть до высокой температуры. Это делалось на раскаленных углях, другого способа раньше не было. Т.е. имела место твердая цементация. Оптимальная температура цементации 830-850 о С, т.е. опять же попадаем в интервал температур красного каления. После изготовления наконечники охлаждалось в воде. Ну, а термической обработкой после цементации является, в том числе и закалка.
Насчет каленых деревянных стрел. Возможно, их обжигали на огне для придания лучших свойств. Тогда точно «каленая». Но это уже к специалистам по обработке древесины.
Подведем итог для металлов:
1. Каленый – претерпевший нагрев до высокой температуры, изменение свойств не предполагается;
2. Закаленный – прошедший термическую обработку (закалку) с целью изменения свойств.

Каленый металл (характеристики и особенности материала, важные нюансы)

нагрев заготовки или изделия выше критической температуры, при которой кристаллическая решетка материала изменяет свою структуру;
быстрое охлаждение стали.

Фотография №1: процесс закалки

С полиморфным вращением. По этой технологии закаливают стали и сплавы на основе черных металлов. Для нормализации пластичности и вязкости, а также для снижения хрупкости используют отпуск. Он незначительно уменьшает прочность заготовок и изделий.
Без полиморфного вращения. По этой технологии закаливают цветные металлы и сплавы на их основе. Нужные характеристики материалы приобретают после процесса «старения».

Закалка в одном охладителе. Нагретый металл просто погружают в закалочную жидкость до полного охлаждения.
Изотермическая закалка. Деталь или изделие выдерживается в охладительной среде только до тех пор, пока не произойдет изотермическое преобразование кристаллической решетки. При этом образуется аустенит.
Прерывистая закалка. Этот метод повышения физико-химических свойств металлов и сплавов предполагает использование двух охлаждающих сред. Вначале заготовка или изделие быстро охлаждается в первичной среде (вода). Затем происходит медленное остывание, к примеру, в масле. Таким способом закаливают углеродистую сталь и изделия из нее.
Ступенчатая закалка. Ее проводят в среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки. При этом металл приобретает температуру закалочной ванны во всех точках сечения. После этого происходит окончательное медленное охлаждение заготовки или изделия.
Струйчатая закалка. Предполагает обрызгивание металла струей воды. Чаще всего этот способ используют для повышения физико-химических свойств частей деталей или изделий. Технология обеспечивает более высокую степень прокаливаемости.

Вода.
Соляные растворы.
Щелочные растворы
Расплавленный свинец.
Технические масла.

К самым лучшим охлаждающим средам относят растворы поваренной соли и каустической соды.

Заказать закалку стали в ЧЗМК

Череповецкий завод работает для вас более 55 лет. Мы занимаемся изготовлением конструкций из металла, а также оказываем различные услуги по обработке стали. Наши квалифицированные специалисты выполняют работу качественно, в собственных цехах и на современном оборудовании.

Заказывая закалку стали у нас, вы можете не беспокоиться о качестве и результате. За процессом работы наши клиенты наблюдают с помощью онлайн-трансляции, а на все услуги у нас действует гарантия сроком от 12 до 24 месяцев.

Мы доставляем заказы во все регионы России и предлагаем удобные способы оплаты. Заплатить вы сможете наличным или безналичным расчетом.

Для получения консультации или оформления заказа звоните нам или оставляйте онлайн-заявку на сайте. Наши опытные менеджеры всегда рады помочь вам.

Экономическая эффективность закалки напрямую зависит от скорости термообработки и охлаждения. Чем она выше, тем меньше расходуется энергии. Однако быстрый нагрев приводит к возникновению большого перепада температур между поверхностными слоями и сердцевинами изделий. В результате появляются трещины и происходят деформации. Именно поэтому термическая обработка проводится плавно и равномерно. Процесс контролирует технолог-термист. Используются табличные значения и эмпирические формулы.
На процесс преобразования структуры и изменения состава металла при его калении напрямую влияет скорость охлаждения заготовки или изделия. Например, быстрое охлаждение с применением обычной воды комнатной температуры приводит к получению углеродистой стали с мартенситной структурой, а при использовании горячей жидкости или масел получаются трооститы.
Режимы термической обработки и охлаждения также зависят от форм и размеров деталей и изделий. Поэтому в каждом конкретном случае специалисты разрабатывают индивидуальные операционные карты и маршрутные технологии.
Технология получения каленого металла выглядит так.
Все поверхности тщательно очищаются от ржавчины, масла и иных загрязнений.

Деталь или изделие равномерно прогревается до нужной температуры.

Особенности охлаждения различных деталей и изделий

Тонкостенные детали и изделия, изготовленные из углеродистых и легированных сталей, охлаждают с применением минеральных масел. Процесс происходит при постоянной температуре. Она не зависит от температуры воздуха. Вода в охладителе должна отсутствовать.
Для каления углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Вначале заготовку помещают в воду, а затем – в масляную ванну. Смена сред должна происходить очень быстро.
Детали, заготовки и изделия сложных форм охлаждают с применением раствора каустической соды (50 %). Его нагревают до +60 °C. Сталь, охлажденная в этой среде, приобретает светлый оттенок.

Для получения простых каленых деталей и изделий из металлов чаще всего применяют обычную воду. Оптимальная температура — +30 °C. Соли и примеси в среде должны отсутствовать.

Закалка стали в условиях дома или дачи

Конечно, лучший результат от закалки получится, если она осуществляется профессионалами с большим опытом работы и в производственных условиях. Бывает такое, что вы приобрели инструмент, но он оказался недокаленным или незакаленным. В этих случаях прибегают к закалке в бытовых условиях. Этому процессу легко научиться. Осуществлять закалку можно на простом костре. Достаточно соблюдать следующую последовательность действий:

Для начала подготовьте два сосуда – с водой и маслом.
Затем подготовьте инструмент, с помощью которого вы будете опускать изделие в костер и вынимать его. Можно использовать простые клещи.
Далее нужно развести костер и подождать, пока образуются угли. На них кладем металлическое изделие, которое будем подвергать закалке.
Внимательно следите за оттенком, которое принимает пламя, и за цветом углей. Огонь не должен быть белым, а раскаленный угли, напротив, принимают белый цвет. Для процесса домашней закалки оптимальный цвет пламени – малиновый. Если пламя белое, это говорит о высокой температуре, которая просто сожжет деталь.
Следите, чтобы на стальной детали не появились пятна синего или черного цвета. Они говорят о деформации изделия из-за сильного размягчения. Если сталь приняла белый оттенок, ее можно выкидывать.
Как только металл нагрелся до оптимального уровня температуры, необходимо вытащить его из огня и опустить в масло. Делаем это 3 раза. В первый раз опускаем на 3 секунды. Каждый раз увеличиваем время на столько же. Опускаем и резко вынимаем.
Затем опускаем инструмент в сосуд с водой и оставляем там до полного остывания.

Изделия вытянутой формы необходимо поместить в форму вертикально. Для того чтобы определить оптимальную температуру в домашних условиях, можно воспользоваться специальной таблицей цветов. Вместо костра можно использовать простую печку.

Отпуск каленого металла

Отпуск металла — это заключительная стадия каления, применяемая для уменьшения твердости, снижения хрупкости и устранения внутренних напряжений. Технология предполагает нагрев металла до определенной температуры с последующим охлаждением. Оно может проходить как на открытом воздухе, так и в различных жидкостях (масляные и расплавные среды).

Фазовые состояния и структуры металлов напрямую зависят от температур нагрева. Чем она выше, тем ниже твердость и хрупкость, но выше вязкость и гибкость.

Активно применяют три вида отпуска металла при калении. Предельные температуры нагрева различны.

Низкий отпуск. Предельная температура нагрева – 300 °C. При такой температуре отпуска получаются материалы с максимально высокой твердостью. При этом снижаются внутренние напряжения, а также повышается вязкость износостойких сталей.
Средний отпуск. Предельная температура нагрева — +450°C. Применяется при калении металлических деталей и изделий для получения повышенных показателей упругости и прочности. Вязкость при этом остается на определенном заданном уровне. По этой технологии получают рессорные и пружинные стали. Охлаждение обычно проводится на открытом воздухе.
Высокий отпуск. Проводится в температурном диапазоне от 450 до 650 °C. После такого отпуска:
каленый металл становится пластичным;

у заготовки или изделия повышаются относительные удлинение и сужение;

Изображение №1: влияние температуры отпуска на механические свойства металлов и сплавов

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

обезуглероживание;
окисление поверхности;
увеличение внутреннего напряжения;
изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Марка	Температура, °C	Марка	Температура, °C
15Г	800	50Г2	805
65Г	815	40ХГ	870
15Х, 20Х	800	3Х13	1050
30Х, 35Х	850	35ХГС	870
40Х, 45Х	840	30ХГСА	900
50Х	830

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Как просверлить каленый металл

В первую очередь — перечислим основные особенности сверления заготовок и изделий из каленого металла. Для успешной обработки необходимо:

правильно подобрать сверло;
подготовить заготовку или изделие;
применять смазочно-охлаждающую жидкость.

Какой инструмент выбрать для сверления каленого металла

Для сверления каленого металла лучше всего подходят инструменты, изготовленные из сталей следующих марок.

Р18. Инструменты из стали этой марки — лучший выбор. Эти сверла по каленому металлу появились еще во времена СССР. Материал содержит до 18 % вольфрама. Это придает стали высокую прочность. Поверхности не перегреваются и изнашиваются медленно.
Р6М5К5. Сталь этой марки содержит 6% вольфрама и по 5 % молибдена и кобальта. Эти сверла по каленому металлу могут выдерживать максимальные тепловые нагрузки при обработке закаленных деталей и изделий.
HSS-Co. Это зарубежный аналог предыдущей стали.

Фотография №2: сверло по каленому металлу из стали марки HSS-Co

Мастера выбирают сверла из сталей именно этих марок из-за оптимального сочетания цены и эффективности обработки высокопрочных каленых металлов.

Обратите внимание! Перед сверлением необходимо тщательно очистить заготовку или изделия от масел, жиров и иных загрязнений.

Советы по применению СОЖ при обработке каленого металла

Добавляйте СОЖ на режущие кромки инструментов. В процессе обработки жидкость разлетается и испаряется. Смазку нужно своевременно обновлять.
Перед обработкой детали или изделия необходимо также нанести СОЖ на целевую поверхность.
Во время сверления каленого металла делайте небольшие перерывы для остывания заготовки и инструмента.

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Читать также: Трансформатор для паяльной станции

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Как согнуть каленый металл

Для сгибания металлических заготовок и изделий на производстве обычно применяют прессы следующих видов.

Пневматические и гидравлические. Это стандартное оборудование для сгибания металла. Заготовки помещают между пуансонами и матрицами. Это позволяет сгибать даже утолщенные детали и изделия. Гидравлические прессы используют чаще. Их преимущества — низкая стоимость и простота эксплуатации.
Поворотные. Сгибание металла происходит между специальными балками и плитами. Технология отлично подходит для обработки простых изделий из каленого металла с небольшими габаритами.
Ротационные. На этих станках каленый металл сгибают специальные валики. Ротационные станки чаще всего используют для мелкосерийного производства крупногабаритных изделий.

Фотография №3: сгибание металла на станке

Обратите внимание! Хорошая производительность обеспечивается при использовании ротационных и поворотных прессов. Обработка происходит в автоматическом режиме. Заранее рассчитывать усилия не требуется.

Дефекты, возникающие при закалке стали.

Как нарезать резьбу в каленом металле

Для этой операции также лучше всего подходят инструменты, изготовленные из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Для нарезания внутренних резьб используют метчики, а для наружных — плашки.

Технология нарезания внутренних резьб

Для нарезания внутренней резьбы определенного размера обычно используют три метчика: черновой (№1), получистовой (№2) и чистовой (№3).

Действуйте по следующей схеме.

Сделайте разметку.
Накерните отверстие.
Смажьте будущее отверстие и сверло.
Закрепите деталь.
Установите сверло.
Настройте режим резания. Обработку начинайте с малых оборотов. После погружения сверла в металл скорость можно понемногу увеличивать.
Просверлите отверстие под резьбу и раззенкуйте. Удалите стружку. Смажьте метчик №1 и заготовку.
Установите инструмент. Оси (его и отверстия) должны совпадать.
Сделайте первый проход. После каждого полного оборота метчика делайте пол-оборота в обратном направлении. При необходимости удаляйте стружку.
Сделайте проходы с применением получистового и чистового метчиков.

Технология нарезания наружных резьб

Для этого применяют плашки. Обрабатывайте заготовки по такой технологии.

Установите инструмент в держатель подходящего размера. Закрепите плашку при помощи винтов.
Сделайте фаску на конце заготовки.
Нанесите СОЖ на поверхности.
Наложите плашку на заготовку. Ее плоскость должна быть перпендикулярно оси обрабатываемой детали.
Нарежьте резьбу. После одного-двух-витков делайте возвраты на пол-оборота.
Удостоверьтесь в точности нарезанной резьбы.

Проверка металла на наличие термообработки

Перед процедурой закалки необходимо убедиться, что купленная нами сталь не подвергалась ранее термической обработке. Проверить это можно при помощи обычного паяльника. Инструмент нужно нагреть и провести им по металлическому изделию. Если он прилипает к металлу, то изделие не подвергалось термообработке. Если паяльник плавно проходит по поверхности или резко от нее отскакивает, то металлический предмет хорошо или слишком сильно обработан под воздействием высоких температур. Если следов термообработки не обнаружено, необходимо сделать ее самостоятельно.

Закалка металла

Закалка металла применяется для увеличения его прочностных характеристик. Об этом знали еще древние кузнецы, когда ковали боевые мечи и орудия труда. Ранее для этого применялась самая простая закалка: металл раскаляли в печи, придавали ему необходимую форму молотом, а затем опускали в бочку с водой. Резкое температурное охлаждение увеличивало прочность.

Сегодня для закалки металла применяется множество методов, и большинство из них не подразумевает образования большого количества пара. Кроме того, такая обработка проводится и для измельчения зерна и выравнивания структуры стали, что особенно актуально для изготовления высокоточных инструментов (например, скальпелей) или же ножей. Давайте же поговорим о способах и целях закалки металла более подробно.

Суть процесса закалки металла

Для того чтобы сделать сплав прочнее и тверже, его подвергают термообработке. Это и есть закалка металла. В основном, она используется при работе с углеродистыми и легированными сталями, однако иногда применяется для цветных, в которые входят медь, латунь, бронза, а также сплавы алюминия и титана. Последние в результате закалки и отжига могут вместо повышения прочностных характеристик стать более пластичными, поэтому для них делают отпуск. Этот метод помогает снять напряжение с цветных металлов после таких процессов, как отливка, волочение, прокатка и штамповка.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Если остужать металл быстро, то можно добиться получения совсем других характеристик, поскольку аустенит приобретает иные состав и структуру кристаллической решетки. Основные фазовые состояния, в которые он переходит: перлит, сорбит, троостит и мартенсит. Каждому из них соответствует своя структура, которая получается путем использования определенных пиковых температур и скорости охлаждения. Процесс закалки металла определяется свойствами, которыми сплав должен обладать в результате.

5 способов закалки металла

Тип термообработки определяется сортом стали. Инструментальная проходит полный цикл, цветная – неполный.

Также способ закалки зависит от того, сколько источников охлаждения планируется использовать в процессе – один или больше. В связи с этим выделяют следующие типы термообработки:

Закалка металла в одном охладителе

Применяется для мелких несложных деталей из углеродистой и легированной стали. Процесс прост: сначала изделие прогревают, потом опускают в жидкость с меньшей температурой. Детали из углеродистой стали размером 2–5 мм охлаждают в воде, более мелкие элементы и легированная сталь остывают в масле.

Закалка с подстуживанием

Используется для стабилизации молекулярной структуры, чтобы уменьшить разницу между поверхностным натяжением и внутренним сжатием. В противном случае изделие станет хрупким. Элемент перед охлаждением в жидкости некоторое время держат на воздухе, однако его температура не должна опуститься 0,8 К по диаграмме «железо-углерод».

Прерывистая закалка

Применяется для обработки высокоуглеродистой стали. Используется закалка металла сначала в воде, затем, в зависимости от состояния, в масле или на воздухе. Предварительно изделие разогревается до критической температуры, после чего его остужают в двух средах. В воду сталь помещается на короткое время, точно высчитываемое специалистом, после чего уже на более длительный срок отправляется на воздух или в масло.

Ступенчатая закалка

Используется, когда прерывистую нельзя применить по причине сложности просчета времени погружения в воду детали или необходимо равномерное ее остывание. В таком случае ступенчатая термообработка металла удобней. Закалка происходит в двух средах. Сначала деталь погружают в первую, температура которой выше закалки мартенсита. Как только слои сплава достигли одинакового уровня тепла, отправляют во вторую. Там металл окончательно переходит в стадию мартенсита.

Изотермическая закалка

Применима к легированным и конструкционным сталям, которые при обработке не проходят полный распад. Термическая закалка металла в данном случае предполагает охлаждение также в двух средах. Однако вместо воды для нее применяют масло или соляную ванну, куда изделие погружают на 30 минут. Затем его оставляют на воздухе. В результате получается высокопрочная сталь в состоянии бейнита с 20% насыщенного углеродом аустенита.

Выбор охлаждающей среды

С давних времен закалка мечей и тонкостенных изделий производилась в соляных растворах. Нагрев осуществлялся при помощи печей, а в процессе работы использовалась температура, выделявшаяся за счет деформации.

Закалка металла своими руками предполагала индивидуальное охлаждение каждого инструмента. Остужение производили в урине рыжеволосых мужчин. В европейских странах был принят более жестокий метод – пронзание раскаленными режущими инструментами тел рабов. Содержавшиеся в данных жидкостях соли и кислоты позволяли быстро остудить сталь и не допустить повышения напряжений на поверхности и внутри.

Сегодня закалка металла производится в муфельной печи или при помощи иного оборудования. Для его остужения используются готовые химические солевые растворы. Иногда применяется селитра, а также мелкая пластиковая стружка.

Вид источника охлаждения зависит от изделия:

простые детали из углеродистой стали погружают в очищенную воду;
для сложных в соотношении 1:1 в ней разбавляют каустическую соду и получившийся раствор разогревают до +50…+60 °С;
в случае с тонкими деталями из углеродистой и легированной стали производится закалка металла в масле.

Однако не всех. Как мы уже отмечали, изделия из углеродистой стали предварительно помещают в воду, после чего быстро перепогружают в ванну с маслом, чтобы добиться нужного структурного состояния и эксплуатационных характеристик.

Температурный режим при закалке металла

Несмотря на то, что процедура термообработки отличается в каждом конкретном случае, существуют определенные правила для различных составов и сред, которые необходимо соблюдать. Закалка металла даже в домашних условиях нуждается в следовании этим нормам. Однако зачастую для дальнейшего использования сплавам достаточно перейти в состояние аустенита после прогрева.

Конструкционные стали, в которых количество углерода составляет меньше 0,8 %, доводят до температур, расположенных над линией GS и выше точки Ас3 на 30–50 градусов.
По черте PSK соблюдается аналогичное увеличение.

Температуру необходимо проверять до того, как происходит закалка металла. Если она окажется выше рекомендованных значений, сплав из-за укрупнения аустенитных кристаллов станет слишком хрупким и ломким. Инструментальная углеродистая сталь и вовсе не доводится до этого фазового состояния.

Изделия из легированного металла также имеют свои критические точки обработки, на которые могут влиять различные добавки, усиливающие те или иные свойства. Если их оказывается слишком много, это усложняет расчет охлаждения. Такой процесс, как закалка, влияет на свойства металла в зависимости от количества карбидов. При большом их содержании изделие приходится обрабатывать температурой, которая выше рекомендованной, чтобы оно перешло в необходимое фазовое состояние аустенита. Значение может доходить до +1 000 °С.

Заэвтектоидные и некоторые другие сплавы обрабатываются неполным циклом. Закалка в таком случае происходит при температурах, позволяющих сохранить большое содержание цементита.

Возможные дефекты после закалки металла

Если не соблюдать определенные правила и нормы термообработки, высока вероятность порчи изделия.

Что дает неправильная закалка металла:

Трещины и коробление. Последнее подлежит вытягиванию и коррекции, однако разрывы соединить заново нельзя. Деталь испорчена.
Пережог. Возникает при слишком высоких температурах, когда металл начинает плавиться и окисляется кислородом. Сплав больше нельзя использовать.
Перегрев. Происходит, когда температура не достигает точки плавления, однако зерна аустенита начинают укрупняться, из-за чего изделие становится хрупким. Для исправления требуется новая закалка металла, изделие предварительно обжигают.
Низкая твердость. Так же исправляется отжигом и повторной закалкой, когда деталь оказывается слишком пористой для использования, что происходит из-за недостаточной температуры нагрева, вытяжки и скорости остужения.
Окисление и обезуглероживание. В результате контакта с воздухом на сплаве образуется невыводимая окалина, что автоматически переводит его в разряд брака. Избежать этого помогает тщательная герметизация.

Сплавы отличаются по составу, свойствам и структуре, а также назначению. Для получения заданных характеристик необходимо тщательно подбирать методику обработки в соответствии с указанными параметрами. В домашних условиях выполнить все рекомендации достаточно сложно, поэтому чаще используется промышленная закалка металла. Цена на нее невысокая по сравнению с потерями, которые ожидают «мастера» при попытке обработать изделие самостоятельно.

Итоговые эксплуатационные характеристики зависят от типа, сложности и длительности термообработки, будь то цветная закалка металла полного или неполного цикла, отжиг, вытяжка, правка брака. Для того чтобы получить необходимые свойства, следует в точности соблюдать рекомендации, учитывать наличие добавок и примесей.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Каленый металл

Что это такое? Каленый металл получают при помощи термической обработки и последующего резкого охлаждения. В результате применения данной методики атомная решетка материала перестраивается, его механические параметры изменяются.

Как сделать? Существуют разные методы закалки металла, каждый из которых используется в определенной ситуации. То есть, чтобы получить на выходе деталь с заранее заданными свойствами, необходимо верно выбрать технологию обработки, а также «правильный» охладитель.

Необходимость закалки металла

Для того чтобы получить каленый металл, существует методика, которая в общих чертах включает ряд последовательных операций. На первом этапе следует тщательно очистить поверхность заготовок, удалив пятна ржавчины, масло и грязь. Далее металл необходимо нагреть до требуемой температуры. Заканчивается процесс охлаждением и отпуском.

При соблюдении нужных параметров закалка изменяет структуру материала, улучшая его эксплуатационные характеристики, что позволяет увеличить прибыльность производства за счет снижения себестоимости продукции.

Металл подвергают закаливанию с целью:

увеличения твердости внешних слоев заготовки;
повышения прочности материала;
снижения пластичности до требуемых значений, что повышает стойкость металла к изгибающим нагрузкам;
облегчения готовых изделий за счет дополнительной прочности и твердости.

Как правило, закалке подлежат детали из углеродистой и легированной стали, однако в отдельных случаях могут закаливаться заготовки из меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, титановые изделия.

Работа с цветными сплавами имеет специфику, так как после закаливания они могут не стать более прочными, но приобрести большую пластичность. В таких случаях металл отпускают в специальном режиме. После этой процедуры снимается напряжение, оставшееся после отливки, волочения, прокатки и других видов пластического деформирования.

Виды закалки, используемые технологии и охлаждающие среды

Существует несколько видов закалки, позволяющей улучшить характеристики металла:

Первый включает полиморфное вращение. Эта технология разработана для железных сплавов. Чтобы привести к нормальным показателям пластичность, вязкость и хрупкость, металл подвергают отпуску, после которого слегка снижаются прочностные показатели.
Второй не предусматривает полиморфного вращения и предназначен для цветных металлов и их сплавов. Чтобы привести свойства материала к требуемым показателям, его подвергают так называемому старению.

При закалке могут использоваться различные режимы и среды для охлаждения. Для каждого случая существуют отдельные технологии. Разберемся с тем, как сделать металл каленым посредством каждой из них:

Закаливание с применением одного охладителя, в ходе которого нагретые заготовки погружаются в жидкий охладитель до полного остывания.
Изотермическое закаливание подразумевает выдерживание изделий в охладителе до наступления аустенитного превращения в структуре металла.
Прерывистое закаливание проводится с использованием двух охладителей. На первом этапе заготовки проходят быстрое охлаждение в воде. Далее они медленно остывают во втором охладителе, которым чаще всего служит масло. Этот метод закалки используется для улучшения характеристик углеродистой стали.
Ступенчатое закаливание проводится в охладителе, температура которого превышает точку мартенситного превращения. В ходе охлаждения температура металла и среды выравнивается по всему объему заготовки. Далее детали постепенно охлаждают окончательно.
Струйчатое закаливание производится при помощи струи воды. Такой метод позволяет улучшать характеристики отдельных частей изделия и обеспечивает более высокое прокаливание.
Закаливание с самоотпуском. Если уменьшить время воздействия охладителя на заготовку, в толще металла сохраняется относительно высокая температура, которая, постепенно снижаясь и выходя наружу, снимает напряжение с металла, отпуская его. Такой метод требует от специалиста определенного навыка, так как требуется безошибочно определить момент, когда изделие нужно извлечь из ванны с охладителем.

Широко распространены технологии закалки с применением в качестве среды охлаждения воды, соляных и щелочных растворов, расплава свинца и различных технических масел.

Одним из самых востребованных является закаливание в растворах NaCl или едкого натра.

Особенности закалки металла

Важно учитывать, что скорость закаливания напрямую сказывается на его экономической эффективности, ведь от того, как быстро идет процесс, зависит расход энергии. Однако при слишком быстром нагреве заготовок увеличивается риск появления трещин и деформаций, вызванных резким перепадом температуры между внешними и глубокими слоями металла.

Поэтому очень важно постепенное и равномерное нагревание деталей. Ход процесса обязательно должны контролировать опытные специалисты, ориентируясь на специальные таблицы и значения, полученные опытным путем.

Не менее важным моментом является прямое влияние скорости охлаждения металла на структурные и химические преобразования в ходе термической обработки. Так, при быстром охлаждении с помощью воды комнатной температуры происходит мартенситное превращение в структуре углеродистой стали, а использование в качестве охлаждающей среды горячего масла или других горячих жидкостей ведет к образованию трооститов.

Для каждого типоразмера и конфигурации изделий должен подбираться отдельный режим термообработки. Именно этим вызвана необходимость разработки операционных карт и маршрутизации технологического процесса для производства новой продукции.

К примеру, для тонкостенных изделий и деталей, выполненных из углеродистой или легированной стали, в качестве охладителя используют минеральные масла, температура которых должна быть постоянной вне зависимости от окружающих условий. Охлаждающая среда при этом не должна содержать воды.

Углеродистую сталь сложного химического состава охлаждают поэтапно и с быстрой сменой охладителя. На первом этапе заготовки остывают в воде, а далее их погружают в техническое масло.

Для изделий и заготовок сложной геометрии применяют 50%-ный охлаждающий раствор едкого натра, нагретый до +60 °С. Для такой закалки характерно осветление поверхностных слоев металла.

Простые металлические изделия, как правило, закаливают, охлаждая их в простой воде без соли и других примесей при температуре около +30 °С.

Для визуального определения температуры металла при его закаливании используют таблицу цветов побежалости:

Вишнево-алый со светлым оттенком

Рассмотрим возможные изъяны, которые характерны для закаливаемых изделий. Такого рода дефекты могут быть исправимыми и неисправимыми. Первая разновидность, как правило, связана с неравномерностью закалки или с несоответствием полученной твердости металла требуемым значениям. Формирование таких изъянов обычно связано с нарушениями режима термической обработки и/или охлаждения заготовок.

Ко второй категории, помимо полного разрушения изделия, относится появление сколов и растрескивание. Причиной таких проблем чаще всего становится низкое качество металла.

Нормативные значения температуры при закаливании металлических деталей находятся в прямой зависимости от углеродистости стали и процентного содержания легирующих компонентов. Как правило, эту зависимость можно определить так: понижение содержания углерода требует повышения температуры закаливания.

Недостаточный нагрев изделий не обеспечивает формирования нужной структуры, а избыточный ведет к разуглероживанию, окислению верхних слоев, деформациям и образованию зон внутренней напряженности.

Сложная геометрия изделий требует их предварительного подогрева, для чего заготовки несколько раз погружают в ванну с соляным раствором или недолго выдерживают в печи при температуре в диапазоне от +400 до +500 °С. Время, требуемое на прогрев, зависит от размеров деталей и их количества в загрузке. Важно следить, чтобы произошло полное и равномерное нагревание.

Для измерения температуры металла при промышленном производстве используют как контактные, так и бесконтактные пирометры. В последнее время широко распространено дистанционное определение температуры при помощи специальных инфракрасных приборов, которые дают возможность измерить ее значение на любом участке поверхности обрабатываемых заготовок. И, как уже говорилось, приблизительно оценить нагрев стали позволяют таблицы цветов побежалости.

Технологии отпуска каленого металла

Закаливание металла ведет к повышению хрупкости и формированию зон внутреннего напряжения, что может привести к разрушению стали под действием ударных нагрузок или иных повреждающих воздействиях. Для того чтобы снять напряжение и повысить пластичность материала, разработаны технологии отпуска.

Отпуск завершает процесс закалки и представляет собой нагрев заготовок до определенной температуры и их постепенное охлаждение, которое происходит на воздухе при комнатной температуре либо в специальных средах. Для отпуска используют ванны с маслом или расплавленным металлом.

Изменения, происходящие в структуре металла, и фазовые переходы находятся в прямой зависимости от температуры. С ее повышением происходит постепенное снижение твердости и хрупкости, сопровождаемое увеличением вязкости и пластичности. Различают три режима нагрева при отпуске закаленной стали, которые отличаются предельной температурой:

При низком отпуске максимальная температура равна +300 °С. Такой метод позволяет получить особо твердую сталь. Отпуск сопровождается постепенным снятием внутреннего напряжения и повышением вязкости.
Для среднего отпуска изделия нагревают до +450 °C. Такая технология применяется для производства прочной стали с повышенной упругостью. Этот метод позволяет сохранить неизменными показатели вязкости. Детали охлаждаются на открытом воздухе. Такой отпуск применяют для рессорной и пружинной стали.
Высокий отпуск, который позволяет повысить пластичность каленого металла, производят при температуре +450. +650 °С. Обработка уменьшает внутреннее напряжение на 95 %.

Технологии старения металла

Обработка каленого металла, которую принято называть старением, производится для повышения показателей твердости стали и делится на три основных способа:

Естественное старение представляет собой выдерживание изделий на открытом воздухе. Процесс сопровождается самопроизвольным увеличением прочности стали и снижением ее пластичности.
Для термического старения заготовки подвергают воздействию высокой температуры. Такой метод несет в себе риск так называемого перестаривания, когда после достижения максимальных значений может начаться процесс постепенного понижения твердости, плотности и текучести материала.
При деформационном старении каленый металл, имеющий структуру твердого раствора, подвергают пластическому деформированию.

Специфика закалки цветных металлов

Для каждого цветного металла или его сплава процесс закаливания имеет свою специфику.

Здесь мы не станем рассматривать термообработку всех цветных металлов, ограничившись примером стальных и медных сплавов:

Алюминий

Изделия из этого металла и сплавов на его основе нечасто подвергают закалке из-за того, что они уже прошли термообработку в ходе литья и обработку с использованием холодного или горячего пластического деформирования, что повысило твердость и прочность материала.

Закаливание в домашней мастерской может понадобиться, например, для сварных деталей из алюминиевого сплава, у которых при сварке произошло снижение жесткости материала в прилегающих к швам областях. Самостоятельная закалка связана с целым рядом проблем.

Для того чтобы алюминиевую деталь не повело при термической обработке, необходимо учитывать особенности конкретного сплава и точно соблюдать рекомендованную температуру. Допустимая погрешность при этом не должна превышать пяти градусов Цельсия. Не менее важно соблюдение технологических требований при охлаждении изделия, так как в противном случае также возможны деформации.

Данный вид термообработки следует производить в специальной печи для закаливания с точной регулировкой температуры. Для индивидуального подбора правильных параметров, скорее всего, придется закаливать каждую деталь по отдельности.

Параметры термообработки медных сплавов коренным образом отличаются от тех, что допустимы для стальных заготовок. При быстром охлаждении в водной среде детали из меди, предварительно разогретой докрасна (около +600 °С), металл отпускается, что ведет к его размягчению.

Самостоятельная закалка медных сплавов без отпуска возможна, но достаточно сложна, так как при нагревании нельзя допустить красного каления, то есть температура не должна быть больше +400 °С. После охлаждения на открытом воздухе сплав приобретет твердость, сравнимую с получаемой при нагартовке. Помимо специальной печи, если вы собираетесь производить закаливание в условиях домашней мастерской, следует обзавестись пирометром, который позволит контролировать температурный режим.

Закаливание металлических заготовок требует тщательного соблюдения целого ряда параметров, ведь неправильно подобранный режим термической обработки может привести как к размягчению поверхностных слоев металла, так и к избыточной хрупкости. Нужно разобраться в методах закаливания, чтобы избежать возможных ошибок и получить хороший результат.

Читайте также: