Закалка - воздействие на материал теплом, чтобы получить другие свойства
Закаливают всякое, но в основном стальное. Стальное значит состоящие из железа, углерода до 2% и многих других примесей в количествах незначительных. Сейчас только про стальную закалку.
Закаливают стали чтобы иметь возможность взять сталь мягкую и сделать из нее твердую. Это дешевле чем варить сразу твердую.
Как происходит закалка?
После своего выпуска из металлопроизводственного комбината, сталь может быть самой разной, но в основном мягкая.
Потому что для арматуры, швеллеров, уголков и прочих железных штук не требуется жесткость. Да и резать, штамповать сталь или вить из нее проволоку удобнее, если сталь мягкая и податливая. Потому будьте податливыми, если хотите чтобы вас использовали😄 И не будьте, если не хотите.
Чтобы сделать сталь твердой и жесткой сразу ее еще раз обрабатывают. Закаливают тоесть.
Первую скрипку в закалке играет углерод.
Углерод внутри железных кристаллов обычно сидит пришипившись и окуклившись, и съежившись. Углерод домосед называют цементитом.
Чтобы мотивировать углерод на контакт, сталь разогревают до температуры 728 градуса. Тогда углерод разбредается по кристаллам и делает кристаллы железа несколько иными. Жёсткими и с другой формой. Скорее всего как на рисунке снизу. И атомы углерода встраиваются в стенки квадрата
Если сталь медленно остудить при естественной температуре, углерод обратно забредает в свои хоромы и сидит без дела. А квадрат железного кристалла с ушедшим углеродом называют феррит.
Поэтому чтобы углерод заставить работать, разогретую стальную штуку резко охлаждают и углерод никуда свалить не успевает. Остается внутри кристаллов железа.
Которые остаются такими же стройными и жесткими. Сталь становится твёрже и называются кристаллы железа с атомом углерода теперь мартенсит.
Потому что для больше части кристаллов железа нужны молекулы углерода. Как раз и невозможно закалить сталь в которой меньше 0.3% углерода.
Но после того как много кристаллов железа получили углерод, и охладились. Структура других кристаллов железа изменилась. Где то кто то залез на чужую территорию, кого то защемили еще кем то…..Это называется внутреннее напряжение.
Напряжение может сильно исказить форму детали, местный размер, закрутить винтом или крестом.
А кроме того, закалённая сталь может стать твердостью со стекло и ровно такой же хрупкой. За счет излишней твердости мартенсита.
Чтобы снять напряжение и сделать сталь не такой жесткой и вернуть кривые кристаллы по местам, сталь еще раз нагревают, на этот раз не до точки когда углерод может свободно шататься. А всего то для некоторой подвижности кристаллов. Те перестраиваются, встают как удобнее.
Перераспределяют совсем лишний углерод, который становится частично карбидом. А некоторый мартенсит перестраивает кристаллы и становится сорбитом.
Процесс называется отпуском и сталь калёная после отпуска, пригодна для множества задач. Она тверда, но вполне жесткая, и не рассыплется как керамическая плитка.
Закалка похожа на май, когла расцвела природа, люди выбрались на шашлыки и водоемы, подальше от шумных городов. Поэтому и отпуск. И резко выпадает снег и люди получается расположились ровно по всей поверхности. Так что закалка это надувательство и доверчивого цементита. Дурите цементит как душе угодно, чего он вам сделает.
Температуры закали и отпуска смотрят в справочниках. Равно как и время выдержки и как легирующие элементы влияют на термообработку.
Для закалки стали кроме справочника и некривых рук нужно: температуру повысить, удерживать и температуру понизить. Итак:
Как и в чем нагревают для закалки?
От самых простых до самых совершенных способов.
Открытый огонь
Газовой горелкой в кузнечном горне или в костре как неандерталец. Без всяких сантиментов засовывают в огонь высовывают когда закончат.
Конечно чтобы нагревать на открытом огне нужно иметь большой опыт и смотреть в оба, чтоб ваша штука не расплавилась и не перекалилась. А еще кроме того что на огне крайне непроизводительно, вокруг огня кислород, окисляющий сталь.
Муфельные печи
Печь потому что в ней работают простые советские .....например нихромовые нити. Нагревающиеся от электрического тока. Муфельные потому что печь внутри отделана муфелем, это подобный камню материал, который изолирует нагревательные элементы от нагреваемого материала.
Муфельная печь удобна объемным равномерным нагревом внутри своей камеры, потому закалка получается ровной. А еще муфельную печь можно заполняться инертным газом и потому материалы в ней не окисляться и необезуглеродятся. Хотя ограничена 1150 градусами из-за ее порочной конструкции.
Так что в муфельнйл печи все быстрорежущие стали закалить не поучиться. Муфель это кстати керамика, и по существу как криптонит супермена, сила и слабость. Потому что дает возможность нагревать детали неспешно, но он же остывает медленно, как булыжник в поле июльским вечером. На котором греют дикие кости полевые ящерки. Если нужны резкие перепады температур, муфель не годится.
Соляные ванны
В соляных ваннах, детали разогревают до 1200 градусов а есть и низкотемпературные соли, плавящиеся при 150 градусах.
Соляные ванны работают очень просто, непосредственно расплавленная соль в большой емкости плескается и позволяет окунать в себя детали, тем самым проводя термообработку.
Потому что соль в ванной, равномерно заполняет все пространство, и потому деталь разогревается быстрее. Казалось бы можно использовать и обыкновенную, поваренную соль. Но не, химики разработали разные хитрые, много составные соли и говорят что так лучше. Точно не знаю. Так что пробуйте всякое.
А еще соль выбирают чтобы к заготовке не было доступа атмосферного кислорода. В этом отношении следующая еше лучше.
Вакуумные печи
В целом как муфельная, но вакуумные печи делают более технологичными, с таймерами, с плавными переходами температур и разными удобствами. Хотя есть и древние вакуумные печи, травящие и сломанные.
Нагрев может быть с помощью спиралей сопротивления или электродуги. А температура доходить до 3000 градусов и все это сразу в вакууме. Что дает возможность обрабатывать дорогие и редкие материалы.
Еще вакуумные печи изолированы и не нагреваются снаружи, так что эту малышку можно поставить в спальне и у вас под боком всегда будет горячая штучка. Хотя надо быть обеспеченным.
Токи высокой частоты
Еще называют индукционный нагрев или индукционная закалка. Выглядит как рамка, которые надевают на заготовку и заготовка нагревается за несколько секунд. Закаливающиеся установки сразу оснащены поливом для оперативной подачи охлаждающей жидкости.
Индукционные токи можно настроить на сколько угодно необходимую глубину прогрева, что значит можно закалить на любую необходимую глубину до 10 мм и все это в считанные секунды. Так что индуктор самый быстрый из объемных способов. При этом можно закалить только часть детали или всю деталь или внутреннюю часть или только зубья шестерен. Так что индуктор шикарен.
Газоплазменные, плазменная установка
Бывает в камере, тогда это объемный способ, или без камеры, когла плазменные лучи скользят по поверхности и её нагревают. И если сразу поверхность охладить, получается сверхбыстрая закалка.
Температура плазмы до 20 000 градусов, так что возмолно плазма не лучший выбор. Если вы не работаете в аэрокосмическом агентстве и не закаливаете что-то сверхнадежное. Потому что способ не дешевый.
Зато плазменный луч может закаливать с точностью до 1 мм по площади. Что откроет небывалые возможности локальной закалки без прогрева всего массива детали.
Лазерная закалка
Ровно как плазма, но на этот раз, лазерный луч. Пучок световой энергии греет заготовку с точностью 0,1 мм и глубиной до 4 мм. Что значит можно закалить например поверхность резьбы, а не сам болт. Или только верхнюю поверхность резьбы и сам болт никуда не поведет. Хотя это будет дорого. Зато крайне точно и стильно.
После лазерной закалки деталь охлаждать не обязательно. Потому что верхние разогретые слои так быстро отдают тепло нижним, что эффект ровно идентичен традиционной закалке. Но без жидкостей и ультралокально.
Но после того как деталь разогрета, чем бы это не было сделано, кроме лазера ее нужно охладить. И от качеств и свойств жидкости зависит качество детали.
В чем охлаждают при закалке
И про закалочные среды
Как уже знаете, лучшая среда это пятница. А лучшая закалочная жидкость, как известно из других материалов, субстрат рыжих женщин.
Казалось бы идеально. Соленая вода действительно отводит тепло лучше других сред, примерно 1100° в секунду.
Хотя если бы скорость всегда решала, шуток про 3 минуты было бы меньше. Кроме этого слишком быстрый перепад температуры может покоробить разогретую сталь и вызвать трещины.
Чтобы слегка расширить возможности воды, туда добавляют поверхностно активные вещества, соли натрия, бария и много другое. Словом есть в варианты уже готовых присадок. Как и более щадящие жидкости
Масло
Отводит тепло мягче, как если бы из парилки не в пропубь, но в мойку сидеть с мужиками говорить за жизнь. Примерно 150° в секунду. Используют и миниреальные и органические масла, последние все реже, потому что его лучше на котлетки.
И кончено у масел тоже есть неудобства, напрмер масло может гореть. Со 100% вероятностью масло будет пузыриться и создавать вредные для людей пары. А еще масло для закалки нужно менять, а это не дешево.
Естественно, есть разные присадки чтобы маслом можно было калить с большей эффективностью и юзать его пока не кончится, но что поделать, масло и есть масло. В тоже время существуют специально созданные умными химиками составы....
Соли и полимеры
Полимеры могут быть какие угодно, и создавать любые условия. При этом химики создадут состав, чтобы испарения пахли клубникой. Но это будет определенно дороже воды.
Солевые ванн. Ровно также как и закаливающие, но расплав соли не может быть холоднее 150 градусов. Потому не все опции для солей доступны. Но если есть деньги, есть еще кое что
Газовое охлаждение
Струями газовоздушной смеси, как дуют из рта на суп. Охладить газом можно прям в дорогой вакуумной печи, для этого из стенок печи дуют азотом, агроном и даже водородом. Последнее опасно.
А еще газ это крайне дорого и потому скорее используется в лабораториях. Хотя газ может быть и инертный, и потому никак не окислит вашу заготовку и охладить имеется возможность сколько угодно глубоко. Так что выбирайте газ. Скорость охлаждения до 70° в секунду.
Какие сложности бывают при закалке?
Для крупных заготовок надо рассчитать форму, сечение, скорость отвода тепла и особенно тщательно подобрать охлаждающую среду и дополнительное оборудование чтобы закалка прошла по плану.
Не соблюдён температурный режим, а равно и недостаточное выдерживание детали при заданной температуре и нет нормальной твердости. А если и есть, повыситься хрупкость и куда вам нужен нежный стеклянный или мягкий свинцовый инструмент?
Слишком большой нагрев чреват сгоранием углерода в поверхности, что делает сталь железом, а чистое железо очень мягко. В противоположность этому молекулы железа могут насытится кислородом. Стать окислом. Окисленное железо - ржавчина, которая вам тоже не нужна.
Самый видный из дефектов закалки - трещины на поверхности и в глубине. Трещина делает деталь похожей на трухлявый пень. Из пня ничего не выйдет так что это 100% брак.
Важно: после прочтения ничего вы не знаете про закалку. Это я все что узнал, для себя и вам рассказал. Так что для конкретных операций читайте конкретную техническую литературу и вызывайте специалистов.
Итого: надо крайне серьезно соблюдать температуру, временные интервалы и подбирать ингредиенты. Через это будет вам калёная сталь.
А вот еще про быстрорежущие стали, СОЖ, в которых тоже поверхностно активные вещества и про твердые сплавы немного.