Способы закалки металла

Закалкой металла называется специальная процедура, позволяющая существенно улучшить его физические свойства. Существует несколько разных технологий, но все они основаны на температурной обработке. Сплав нагревается до температур, приводящих к изменениям в кристаллической решетке (у всех металлов и сплавов эти температуры разные).

Далее производится быстрое охлаждение обрабатываемой детали в жидкой среде. Закалка позволяет существенно повысить твердость материала, но при этом наблюдается повышение его хрупкости. Чтобы вернуть сплаву необходимую пластичность и вязкость, не уменьшив приобретенную прочность, применяются процедуры отпуска (для сталей) и старения (для цветных металлов).

Отличия полной и неполной закалки

Для придания конкретных свойств обрабатываемому сплаву может применяться полная или неполная закалка. Неполной закалке обычно подвергаются инструментальные стали. При помощи полной закалки некоторым сортам стали можно придать аустенитную структуру (имеет гранецентрированную кристаллическую решетку, а не объемно-центрированную, как у ферритных сталей). Аустенитные сплавы отличаются высокой прочностью и пластичностью, а также полным отсутствием магнитных свойств.

Иногда термин «неполная закалка» применяют также в отношении металлических изделий, у которых термической обработке подвергаются только отдельные части (это неправильное употребление термина, в действительности такая закалка называется «зонной»). Например, у катан и некоторых других видов мечей закаляется только рубящая часть. Обычно граница между закаленной и незакаленной частью (хамон) отчетливо просматривается на поверхности металла.

Технология закалки

Последовательность действий обычно выглядит примерно одинаково, но в зависимости от типа металла и требуемого результата применяются разные температурные профили. Сначала деталь разогревается до заданной температуры (для разных металлов температуры варьируются от 700 до 1300°C). Скорость нагрева зависит от мощности печи. Так в электрической печи на каждый миллиметр сечения уходит 90-120 секунд, пламенная печь справляется за 60 секунд, а в соляной ванне нагрев происходит за 30 секунд. Быстрее всего закаливаемые детали прогреваются в свинцовой ванне (порядка 6 секунд на каждый миллиметр).

После нагрева деталь охлаждается в жидкой среде, способной быстро отводить большое количество тепла. При соприкосновении с раскаленным металлом жидкость закипает. Здесь выделяют три стадии охлаждения:

1. Пленочное кипение. По всей поверхности образуется пленка пара (жидкость испаряется без контакта с поверхностью).
2. Пузырьковое кипение. Металл остывает, пленка пара исчезает, и жидкость вступает в контакт с поверхностью.
3. Конвективный теплообмен. Кипение прекращается, и охлаждение продолжается благодаря конвекционным перемещениям жидкости, возникающим за счет разности температур.

По способу охлаждения закалку делят на следующие виды:

1. В одной среде. Раскаленная деталь погружается в охлаждающую жидкость и остается в ней до окончательного остывания.
2. Прерывистая. Обычно здесь используется две среды. Первичным охладителем может выступать вода, а окончательным – масло. Такой подход применяется в отношении высокоуглеродистых сортов стали.
3. Струйчатая. Закаливаемая деталь поливается потоком воды. Поскольку паровой пленки при такой обработке не возникает, воздействие получается более глубоким. Кроме того, данный метод удобен для частичной закалки металлических изделий (например, инструментов).
4. Ступенчатая. Для охлаждения используется жидкая среда, заведомо прогретая до более высокой температуры, чем мартенситная точка обрабатываемого сплава. Разогретая деталь погружается в жидкость и равномерно охлаждается до её температуры. Далее охлаждение продолжается медленно и равномерно вместе со средой.
5. Изотермическая. Деталь длительное время выдерживается в закалочной среде при определенной температуре, приобретая аустенитную структуру.

Технологию закалки следует выбирать, исходя из состава сплава, количества углерода и прочих легирующих компонентов. При слишком высокой скорости охлаждения могут появляться внутренние напряжения в структуре металла. Это чревато деформациями, повреждениями и потерей механической прочности.

Причиной возникновения структурных неоднородностей и напряжений являются неодновременные фазовые переходы в детали. Чтобы этого не происходило, необходимо выбирать правильную охлаждающую среду. Это может быть вода (самая высокая скорость охлаждения), техническое масло и расплавы некоторых металлов. Часто в качестве охладителя используются 10-% растворы пищевой соли и каустической соды.