Закалка металлов и сплавов: принципы и применение.

Введение

Быстрое охлаждение заготовки для получения определенных свойств материала.

В материаловедении закалка – это быстрое охлаждение заготовки в воде, газе, масле, полимере, воздухе или других жидкостях для получения определенных свойств материала. Являясь видом термической обработки, закалка предотвращает нежелательные низкотемпературные процессы, такие как фазовые превращения. Это достигается за счет сокращения временного интервала, в течение которого эти нежелательные реакции являются одновременно термодинамически благоприятными и кинетически доступными; например, закалка может уменьшить размер кристаллических зерен как металлических, так и пластиковых материалов, повышая их твердость. В металлургии закалка чаще всего используется для упрочнения стали путем индуцирования мартенситного превращения, при котором сталь должна быть быстро охлаждена через свою эвтектоидную точку – температуру, при которой аустенит становится нестабильным. Быстрое охлаждение предотвращает образование цементитной структуры, вместо этого принудительно растворяя атомы углерода в ферритной решетке. В стали, легированной такими металлами, как никель и марганец, эвтектоидная температура становится значительно ниже, но кинетические барьеры для фазового превращения остаются прежними. Это позволяет начинать закалку при более низкой температуре, что значительно облегчает процесс. В быстрорежущую сталь также добавляют вольфрам, который служит для повышения кинетических барьеров, что, среди прочего, придает материалу свойства (твердость и износостойкость), как будто заготовка была охлаждена быстрее, чем это было на самом деле. Даже медленное охлаждение таких сплавов на воздухе дает большинство желаемых эффектов закалки; быстрорежущая сталь значительно меньше ослабевает от тепловых циклов из-за высокоскоростной резки. Чрезвычайно быстрое охлаждение может предотвратить образование всех кристаллических структур, приводя к образованию аморфного металла или "металлического стекла".

Отопление

Закалка – это механический процесс, в котором сталь и сплавы чугуна упрочняются и затвердевают. Эти металлы состоят из железосодержащих металлов и сплавов. Это достигается путем нагрева материала до определенной температуры, зависящей от его состава. В результате получается более твердый материал, за счет поверхностной или объемной закалки, в зависимости от скорости охлаждения. Затем материал часто подвергают отпуску для снижения хрупкости, которая может увеличиться в процессе закалки. К изделиям, которые могут быть закалены, относятся шестерни, валы и износостойкие детали.

Цель

До закалки литые стали и железо имеют однородную и ламеллярную (или слоистую) структуру перлита. Это смесь феррита и цементита, образующаяся в процессе производства стали или чугуна при медленном охлаждении. Перлит не является оптимальным материалом для многих распространенных областей применения стальных сплавов из-за его относительной мягкости. Нагревая перлит выше температуры эвтектоидного превращения – 727 °C – и затем быстро охлаждая, часть кристаллической структуры материала может быть преобразована в гораздо более твердую структуру, известную как мартенсит. Стали с мартенситной структурой часто используются в приложениях, где требуется высокая устойчивость к деформации, например, режущая кромка инструмента. Это очень эффективно.

Процесс

Процесс закалки является последовательным, начиная с нагрева образца. Большинство материалов нагревают до температуры от 815 до 900 °C, при этом особое внимание уделяется поддержанию равномерной температуры по всей заготовке. Минимизация неравномерного нагрева и перегрева является ключевым фактором для придания материалу желаемых свойств. Вторым этапом процесса закалки является выдержка. Заготовки могут выдерживаться на воздухе (в воздушной печи), в жидкой ванне или в вакууме. Рекомендуемое время выдержки в солевых или свинцовых ваннах составляет до 6 минут. Время выдержки в вакууме может быть немного больше. Как и на этапе нагрева, важно, чтобы температура по всему образцу оставалась максимально равномерной во время выдержки. После завершения выдержки заготовка переходит к этапу охлаждения. На этом этапе деталь погружают в жидкость для закалки; различные жидкости для закалки могут существенно влиять на конечные характеристики закаленной детали. Вода является одним из наиболее эффективных сред для закалки, когда требуется максимальная твердость, но существует небольшая вероятность ее деформации и появления мелких трещин. Если твердость может быть снижена, часто используются минеральные масла. Эти масла на основе нефти часто окисляются и образуют осадок во время закалки, что, следовательно, снижает эффективность процесса. Скорость охлаждения в масле значительно ниже, чем в воде. Промежуточные скорости между водой и маслом можно получить с помощью специально разработанной закалочной среды – вещества с обратной растворимостью, которое, следовательно, осаждается на поверхности детали, замедляя скорость охлаждения. Закалку также можно проводить с использованием инертных газов, таких как азот и благородные газы. Азот обычно используется под давлением выше атмосферного, до 20 бар абсолютного. Гелий также используется, поскольку его теплоемкость выше, чем у азота. В качестве альтернативы можно использовать аргон; однако его плотность требует значительно больших затрат энергии для перемещения, а теплоемкость ниже, чем у альтернативных вариантов. Для минимизации деформации заготовки длинные цилиндрические заготовки закаливают вертикально, плоские – на ребре, а толстые сечения должны первыми погружаться в ванну. Для предотвращения образования паровых пузырей ванну перемешивают. Часто после закалки сплав железа или стали становится чрезмерно твердым и хрупким из-за избытка мартенсита. В этих случаях закаленный материал подвергают другой термической обработке, известной как отпуск, для повышения вязкости сплавов на основе железа. Отпуск обычно проводят после закалки для снижения избыточной твердости путем нагрева металла до температуры ниже критической точки на определенный период времени, а затем охлаждения на спокойном воздухе.

The process of quenching is a progression, beginning with heating the sample. Most materials are heated to between 815 and 900 °C (1,500 to 1,650 °F), with careful attention paid to keeping temperatures throughout the workpiece uniform. Minimizing uneven heating and overheating is key to imparting desired material properties. The second step in the quenching process is soaking. Workpieces can be soaked in air (air furnace), a liquid bath, or a vacuum. The recommended time allocation in salt or lead baths is up to 6 minutes. Soaking times can range a little higher within a vacuum. As in the heating step, it is important that the temperature throughout the sample remains as uniform as possible during soaking. Once the workpiece has finished soaking, it moves on to the cooling step. During this step, the part is submerged into some kind of quenching fluid; different quenching fluids can have a significant effect on the final characteristics of a quenched part. Water is one of the most efficient quenching media where maximum hardness is desired, but there is a small chance that it may cause distortion and tiny cracking. When hardness can be sacrificed, mineral oils are often used. These oil based fluids often oxidize and form sludge during quenching, which consequently lowers the efficiency of the process. The cooling rate of oil is much less than water. Intermediate rates between water and oil can be obtained with a purpose formulated quenchant, a substance with an inverse solubility that therefore deposits on the object to slow the rate of cooling. Quenching can also be accomplished using inert gases, such as nitrogen and noble gases. Nitrogen is commonly used at greater than atmospheric pressure ranging up to 20 bar absolute. Helium is also used because its thermal capacity is greater than nitrogen. Alternatively, argon can be used; however, its density requires significantly more energy to move, and its thermal capacity is less than the alternatives. To minimize distortion in the workpiece, long cylindrical workpieces are quenched vertically; flat workpieces are quenched on the edge; and thick sections should enter the bath first. To prevent steam bubbles the bath is agitated. Often, after quenching, an iron or steel alloy will be excessively hard and brittle due to an overabundance of martensite. In these cases, another heat treatment technique known as tempering is performed on the quenched material to increase the toughness of iron based alloys. Tempering is usually performed after hardening, to reduce some of the excess hardness, and is done by heating the metal to some temperature below the critical point for a certain period of time, then allowing it to cool in still air.

История

Существуют свидетельства использования процессов закалки кузнецами, начиная со середины железного века, но подробной информации о развитии этих техник и процедур, применяемых ранними кузнецами, немного. Хотя ранние производители железа, должно быть, быстро заметили, что процессы охлаждения могут влиять на прочность и хрупкость железа, и можно утверждать, что термическая обработка стали была известна в Старом Свете с конца второго тысячелетия до н.э., археологически сложно установить намеренное использование закалки. Более того, по крайней мере в Европе, "отдельная закалка и отпуск стали, по-видимому, не стали распространёнными до XV века"; полезно различать "полную закалку" стали, при которой закалка происходит настолько быстро, что образуется только мартенсит, и "мягкую закалку", при которой закалка происходит медленнее или прерывается, что также позволяет образоваться перлиту и приводит к менее хрупкому изделию. Самые ранние примеры закалённой стали могут происходить из древней Месопотамии, с относительно надёжным примером закалённого зубила IV века до н.э. из Аль-Мины в Турции. Книга 9, строки 389–94 Гомеровской "Одиссеи" широко цитируется как раннее, возможно, первое письменное упоминание о закалке: как когда кузнец погружает вопящий большой топор или тесло в холодную воду, обрабатывая его для придания твёрдости, ибо так сталь становится крепкой, точно так же глаз Циклопа зашипел вокруг луча оливы. Однако несомненно, что в этом отрывке описывается намеренная закалка, а не просто охлаждение. Также есть вероятность, что в "Махабхарате" упоминается закалка железных наконечников стрел в масле, но доказательства спорны. Плиний Старший затронул тему закалочных сред, различая воду разных рек. В главах 18–21 двенадцатого века "De diversis artis" Теофила Пресвитера упоминается о закалке, где, среди прочего, рекомендуется, что "инструменты также получают более высокую твёрдость при закалке в моче маленького рыжеволосого мальчика, чем в обычной воде".

There is evidence of the use of quenching processes by blacksmiths stretching back into the middle of the Iron Age, but little detailed information exists related to the development of these techniques and the procedures employed by early smiths. Although early ironworkers must have swiftly noticed that processes of cooling could affect the strength and brittleness of iron, and it can be claimed that heat treatment of steel was known in the Old World from the late second millennium BC, it is hard to identify deliberate uses of quenching archaeologically. Moreover, it appears that, at least in Europe, "quenching and tempering separately do not seem to have become common until the 15th century"; it is helpful to distinguish between "full quenching" of steel, where the quenching is so rapid that only martensite forms, and "slack quenching", where the quenching is slower or interrupted, which also allows pearlite to form and results in a less brittle product. The earliest examples of quenched steel may come from ancient Mesopotamia, with a relatively secure example of a fourth century BC quench hardened chisel from Al Mina in Turkey. Book 9, lines 389 94 of Homer's Odyssey is widely cited as an early, possibly the first, written reference to quenching:
as when a man who works as a blacksmith plunges a screaming great axe blade or adze into cold water, treating it for temper, since this is the way steel is made strong, even so Cyclops' eye sizzled about the beam of the olive. However, it is not beyond doubt that the passage describes deliberate quench hardening, rather than simply cooling. Likewise, there is a prospect that the Mahabharata refers to the oil quenching of iron arrowheads, but the evidence is problematic. Pliny the Elder addressed the topic of quenchants, distinguishing the water of different rivers. Chapters 18 21 of the twelfth century De diversis artis by Theophilus Presbyter mentions quenching, recommending amongst other things that 'tools are also given a harder tempering in the urine of a small, red headed boy than in ordinary water'.