Термообработка применяется для придания необходимых свойств металлу. Закалка – один из наиболее важных процессов в термообработке металлов. Закалку металлов используют для повышения твердости, соответственно повышается прочность, но увеличивается напряжения в металле и хрупкость пропорционально твердости.

   Перед закалкой необходимо знать:

- марку стали,

- механические свойства, которые необходимо получить.

Чаще всего определение механических свойств оценивают по твердости стали, исходя из справочных данных.

   В зависимости от конфигурации деталей и марки стали выбирается:

- способ закалки,

- оборудование.

   Закалка стали: 

Процесс закалки стали происходит в несколько стадий:

- подготовка деталей (очистка, защита от обезуглероживания, по мере необходимости),

- подогрев (для деталей со сложной формой, по мере необходимости),

- нагрев (превращение в аустенит),

- охлаждение (превращение в мартенсит),

- обработка холодом (распад остаточного аустенита в мартенсит, по мере необходимости).

- отпуск (снятие напряжений).

   Рассмотрим подробно каждый пункт

1. Подготовка деталей.

   Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочем пространстве печи, если не используется защитная атмосфера, детали омедняют (от 0,02 до 0,05 мм) с последующим размеднением после закалки. Омеднение также защищает поверхность от окалины и сохраняет поверхность чистой. Второй вариант: детали помещают в железный ящик с карбюризатором, который смешивается из отработанного и нового в пропорции 70% к 30%. Накрывают крышкой и замазывают края шамотной глиной для исключения подсоса воздуха. Вместо глины можно использовать лист асбеста, который плотно сверху вставляется в ящик и закрывается крышкой.

Обязательно условие это очистка деталей от окалины и ржавчины. Наличие грязи может привести к не прогреву и пятнистой закалке.

  2. Подогрев.

Подогрев применяют для деталей со сложной формой, которые имеют большой перепад в сечении детали. Есть несколько вариантов подогрева:

   а) Деталь помещается в печь нагретую до диапазона 450-800°С в зависимости от стали и соответственно от температуры закалки. Выдерживается при этой температуры до полного прогрева, после чего температура повышается на 300-400°С, снова выдерживается. И производится окончательный нагрев под закалку с выдержкой при заданной температуре.

Например для закалки деталей сложной формы из стали Х12Ф1 помещают деталь в печь нагретую до 500°С, выдерживают в зависимости от толщины сечения (1 мин. на 1 мм.), повышают до 890°С, выдерживают, повышают до 1060°С, выдерживают, калят.

   б) С деталями очень сложной формы нагрев производят, с печкой начиная с комнатной температуры, далее как в пункте а) ступенчато нагревают до температуры закалки. Здесь важно контролировать скорость нагрева, которая должна быть ниже стандартной скорости нагрева и зависит от формы детали.

Все детали имеют разное сечение и форму, разный материал, разную температуру закалки, поэтому для каждой детали необходимо индивидуально подбирать все режимы и отрабатывать на каждой детали отдельно с последующей корректировкой, если потребуется.

 3. Нагрев.

   Для обеспечения закаливаемости нагрев стали должен быть выше температуры изменения кристаллической решетки, такая температура называется критической и для каждой стали имеется своя критическая температура. Критическую температуру можно узнать в справочниках или определить по графикам, в тех же справочниках. В зависимости от глубины, степени закалки, формы и размеров закаливаемых деталей применяют разные способы и разное оборудование для их нагрева.

   При нагреве необходимо соблюдать несколько правил:

- правильно расположить детали в печи. От правильного расположения деталей зависит скорость и равномерность прогрева, длинные детали не должны провисать, а иметь необходимую площадь опоры. Если в печке это невозможно обеспечить, необходимо делать приспособление,

- контролировать скорость нагрева. Важно для деталей со сложной конфигурацией, правильно подобранная скорость поможет избежать деформаций,

- контролировать температуру нагрева, чрезмерное повышение выше критической температуры более чем на 20°-30°С. ограничено и связано с ростом зерна, а это приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Не достижение, заданной температуры приведет к отсутствию закалки.

- контролировать время выдержки при заданной температуре (зависит от габаритов деталей, их количества и их расположения в печи),

 - контролировать параметры защитной среды (скорость подачи) или вакуума (давление), если применяется. Так называемая контролируемая атмосфера, среда.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь – для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

    Закалка с прогревом по всему объему заготовки называется объемной закалкой.

   4. Охлаждение.

    Для каждой стали требуется своя скорость охлаждения, которая регулируется средой охлаждения. После охлаждения сталь получает максимальную твердость, наибольшую прочность и максимальную хрупкость и напряжения.

   Охлаждение в зависимости от стали и требований к твердости можно производить в одной из сред или несколько сред:

- воздух,

- инертный газ (аргон, азот)

- вода,

- растворы на основе воды (вода с солью, вода с содой)

- масло,

- полимеры,

- растворы солей (селитра),

- расплавленный свинец.

   Основные способы охлаждения-закалки являются следующие:

А) Закалка в одном охладителе – самый простой способ.

Б) Прерывистая закалка в двух средах.

В) Струйчатая закалка

Г) Закалка с самоотпуском.

Е) изотермический

   При неравномерном охлаждении может возникнуть пятнистая закалка. Во избежании этого дефекта необходимо обратить внимания на наличие на поверхности окалины, грязи и отсутствия соприкосновения деталей друг к другу и выбирать правильный способ охлаждения.

   5. Отпуск.

   Нагрев ниже критической температуры. Отпуск уменьшает хрупкость и напряжение, вызванные закалкой, и достигаются требуемые механические свойства, чем больше будет температура отпуска, тем больше будет снижаться твердость, хрупкость и напряжение. Для каждой стали температура отпуска будет своя в зависимости от необходимой твердости стали.

   Различают три вида отпуска:

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом с нагревом до 250°С.

Средний отпуск проводят с нагревом с нагревом до 350-500°С.

Высокий отпуск проводят с нагревом с нагревом до 500-680°С.

1) Для минимизации деформаций необходимо:

- выбрать правильные режимы обработки металла по справочникам (например: закалка, отжиг) в зависимости от того какие характеристики металла Вы хотите получить (например: твердость, пластичность).

- минимизировать скорость нагрева. При этом следует учитывать конфигурацию деталей и их сечение.Особенно это относится к деталям сложной конфигурации это детали с резкими переходами от малого сечения к большому.

- контролировать время выдержки.

- добиться равномерного охлаждения при закалке и отпуске

    6. Контроль твердости:

  6.1 Контроль твердости на образце-свидетеле,

  6.2 Контроль твердости на детали.

    7. Оборудование:

  7.1) Для нагрева под закалку:

7.1.1 Установки ТВЧ,

7.1.2 Соляные ванны,

7.1.3 Печи (делятся по способу нагрева на электрические и газовые):

- камерные,

- шахтные,

- проходные,

- вакуумные.

7.1.4 Агрегаты.

   7.2) Оборудование для нагрева под отпуск:

7.2.1 Установки ТВЧ,

7.2.2 Соляные ванны,

7.2.3 Печи (делятся по способу нагрева на электрические и газовые):

- камерные,

- шахтные,

- проходные,

- вакуумные.

7.2.4 Агрегаты.

   7.3) Оборудование для охлаждения минусовых температур:

7.3.1 Низкотемпературные холодильные камеры на фреоне,

7.3.2 Низкотемпературные холодильные камеры на жидком азоте.

   7.4) Оборудование для контроля твердости:

7.4.1 Твердомер по Роквелл (HRC),

7.4.2 Твердомер по Виккерс (HV),

7.4.3 Твердомер по Бринель (HB),

7.4.4 Твердомер по Супер-Роквелл (HR N30, HR N45).