Закалка металла: все о термообработке материала

Закалка металла – это термическая обработка, направленная на изменение структурных особенностей и итоговых особенностей материала, в частности сталей. Процедура проводится для увеличения прочностных характеристик. В статье рассказываем о принципах работы с разными металлами, задачах, которые стоят перед специалистами, а также о применяемых технологиях. 

Суть закалки металла

Кажется, что закалка – простой процесс. Подняли, а потом снова опустили температуру. Неужели это так сильно может повлиять на металлический прокат? Да, безусловно. И дело не столько в нагреве, столько в том, какие изменения происходят во внутренней структуре стали. 

Металл нагревается до высокой температуры, часто около 800-1000 °С. В этот момент осуществляется превращение металлической структуры в аустенит – фазу, которая имеет кубическую решетку и является более пластичной. При аустенизации в результате нагрева углерод и другие добавки равномерно распределяются в аустенитной решетке, что создает однородную структуру.

Металл удерживается на высокой температуре для полной аустенизации и равномерного распределения тепла. Результат – отсутствие напряжений и дефектов. 

Потом материал быстро охлаждается в закалочной газовой или жидкостной среде. Это резкое изменение температуры приводит к структурным превращениям. Из аустенитного состояния металл переходит в мартенситное – твердую и более хрупкую фазу. Быстрое охлаждение не дает углероду успеть диффундировать из решетки, получается переход в метастабильную структуру.

Мартенсит твердый и прочный, износостойкий. Но есть и минус – хрупкость. При аустените пластичность кристаллической решетки высокая. А вот после охлаждения это качество меняется. Металл становится хрупким, непригодным к ударным нагрузкам.

Если важно восстановить пластичность, то после охлаждения дополнительно проводят отпуск. Это нагрев до 150-600 °C и медленное охлаждение. 

Таким образом, закалка – многоступенчатый процесс. Он включает нагрев, выдержку и быстрое охлаждение. А в ряде случаев требуется дополнительная термообработка – отпуск, то есть несильный нагрев с медленным охлаждением. 

Какие металлы можно закаливать

Закалке поддаются различные типы металлов, но наиболее распространены следующие:

• Стали. Углерод в их составе позволяет достичь высокой твердости при нагреве. А легирующие элементы (например, хром, никель, молибден) увеличивают подверженность термообработке и механические свойства стальных изделий. 
• Нержавеющие стали. Выделим их отдельно, потому что это большой класс железосодержащих сплавов со своими особенностями. Ферритные нержавеющие стали, например, листы AISI 430, обычно не поддаются закалке. Их структура остается стабильной при нагреве и охлаждении, что делает их менее подходящими для процессов закалки. Аустенитные нержавеющие стали, к примеру, трубы AISI 304, обычно не закаливаются, так как они не могут быть закалены в традиционном смысле. Однако они могут быть упрочнены за счет работы (например, холодной деформации), что увеличивает их прочность и твердость, но при этом снижает пластичность. Мартенситные нержавеющие стали, например, прутки AISI 420, могут быть закалены при температуре до 1000 °C.
• Чугун. Он поддается закалке хуже, чем стали, но в некоторых случаях его можно закаливать для повышения твердости, особенно если он содержит легирующие элементы. Закалка ковкого чугуна обычно происходит при температурах 900-950°C. Высокопрочный чугун нагревают до 1000 градусов, а охлаждают медленно. Нюанс процедуры заключается в том, что чугун сам по себе более хрупкий, чем сталь. А закалка может увеличить его хрупкость.
• Некоторые алюминиевые сплавы. Закалке подлежат в основном сплавы, содержащие медь, магний, цинк и другие легирующие элементы. Например, алюминиевые плиты АМг5 с магнием можно закаливать. Однако процесс отличается от термообработки стали. Нагрев до аустенизации – при 450-500°C. А охлаждающая среда – вода или воздух, так как масляная жидкость подходит далеко не для всех алюминиевых сплавов. 
• Титан и его сплавы могут быть закалены, но процесс также отличается от закалки стали и требует специфических температур и методов. Титановый сплав нагревают до температуры аустенизации (обычно в диапазоне 700-900°C). Охлаждение производится в воде или масле. Если в титановый сплав добавлены ванадий, молибден или ниобий, то температура превышает 1000 градусов. Если в сплаве содержится алюминий и некоторые переходные металлы, то нагрев производят в диапазоне 600-800°C.
• Некоторые медные сплавы, такие как бронза и латунь, могут быть подвергнуты термической обработке для улучшения их механических свойств, хотя процесс закалки не так распространен, как для стали. Нагрев бронзы производят до температуры 700-900°C, латуни – 500-700°C. После остывания рекомендуют отпуск для расслабления внутренних напряжений.

Обратите внимание, что не все металлы и сплавы подходят для закаливания. Например, многие металлы, такие как золото, серебро, и некоторые алюминиевые сплавы, не поддаются закалке в традиционном смысле. Закалка — это специфический процесс, который наиболее эффективен для железосодержащих сплавов, таких как стали.
Важно также учитывать, что закалка может быть нецелесообразной для некоторых материалов, так как она может привести к нежелательным изменениям свойств, таким как хрупкость.

Зачем нужна закалка металла

Рассмотрим цели и преимущества термообработки:

• Значительное увеличение прочности. Металлы становятся менее восприимчивыми к нагрузкам, растяжению, сжатию и прочим деформациям. Наибольшее значение это имеет для элементов конструкций, которые подвергаются повышенным напряжениям, к примеру, в машиностроении или строительстве. Причем прочность важна как для статических, так и для динамических нагрузок.
• Приобретение металлом твердости. От этой технической характеристики напрямую зависит износостойкость большинства материалов. Устойчивость к износу и истиранию наиболее важна для сверел, ножей и прочих режущих инструментов, кромки которых должны сохранять свою конфигурацию и остроту.
• Невосприимчивость к окислению. Некоторые методы закалки благоприятно воздействуют на коррозионную устойчивость металлов и сплавов на их основе. Это большое преимущество для тех изделий, которые будут использованы в агрессивных средах. Например, лопасти судна – в морской воде, а колбы и прочие емкости – в химической отрасли.
• Улучшение механических характеристик. Ударная вязкость, усталостная прочность и прочие свойства важны для деталей, которые работают в условиях циклических нагрузок. Закаливание может продлить их срок эксплуатации. 
• Формирование определенной микроструктуры. Изменение размера зерна может влиять на большинство прочностных характеристик материала.
• Повышение жаропрочности металла. При закалке образуется мартенситная структура, которая помогает материалам сохранять свои свойства при повышенных температурах.

Однако у закалки, как и у других методов термообработки, есть недостатки: 

• Хрупкость. Закаленные металлы могут стать хрупкими, особенно если процесс закалки не был правильно выполнен. Это может привести к трещинам или разрушению при ударных нагрузках.
• Внутренние напряжения. Быстрое остывание может привести к возникновению напряжений в материале, и, как следствие, к растрескиванию.
• Сложность контроля. Процесс закалки требует точного контроля температуры и времени, что делает его сложным и требующим высокой квалификации. Неправильные параметры могут привести к нежелательным свойствам.
• Необходимость отпуска. Для снижения хрупкости и внутренних напряжений закаленные металлы часто требуют последующего отпуска, что добавляет этап в производственный процесс и увеличивает время обработки.
• Потеря пластичности. Это ограничивает применение металла в условиях, где требуется высокая деформация.
• Коррозионная стойкость. Некоторые закаленные стали могут потерять свою коррозионную стойкость, если не применяются соответствующие методы защиты или если они подвергаются агрессивным условиям.

Виды закалки металла

Способ закалки определяется тем, какой материал, а также в каком количестве используется для охлаждения предварительно нагретого металла. Различают: 

• Закалку в воде. Используется для углеродистых сталей и некоторых легированных сталей. Обеспечивает высокую твердость, но может привести к образованию трещин из-за быстрого охлаждения.
• Закалку в масле. Чаще применяется для легированных сталей. Позволяет избежать трещинообразования, так как охлаждение происходит медленнее, чем в воде.
• Закалку в воздухе. Используется для некоторых легированных сталей и нержавеющих сталей. Обеспечивает умеренные механические свойства и минимизирует риск деформации.
• Закалку в солевых растворах. Позволяет достичь более равномерного охлаждения, чем в воде, и снижает риск трещинообразования. Применяется для высоколегированных сталей.
• Закалку в инертных или активных газах. Применяется для специальных сплавов и в случаях, когда требуется минимизировать окисление.
• Закалку с предварительным охлаждением. До помещения заготовки в воду или масло ее некоторое время выдерживают на воздухе при комнатной температуре. Это помогает предотвратить хрупкость изделия. 
• Прерывистую закалку. Сперва изделие погружают в воду, а затем доводят до полного остывания в масле или на воздухе. Подходит высоколегированным сталям. 

Оборудование для закалки металла

Для нагрева применяют индукционные, газовые или электрические печи. Первые используют электромагнитную индукцию для нагрева металла. Ток проходит через катушку, создавая магнитное поле, которое индуцирует ток в металлическом изделии, вызывая его нагрев. Они быстро и равномерно нагревают металл. Процедура получается наиболее выгодной с экономической точки зрения. Но само оборудование – дорогое.

Газовые печи нагревают металл с помощью сжигания газа (обычно природного газа или пропана) в камере сгорания, что создает горячий воздух, который циркулирует вокруг изделия. Они дешевле, чем индукционные, и позволяют одновременно нагревать большой объем металла.

Электрические печи нагревают металл с помощью нагревательных элементов (например, проволоки или плит), которые излучают тепло. Преимущества: высокая точность контроля температуры и меньше загрязнения по сравнению с газовыми печами. Однако стоимость электроэнергии высокая, поэтому процесс получается дорогостоящим. 

Для последующего охлаждения можно использовать ванны с жидкостями или газовые камеры.

Закалка металла – технологически важный процесс, который позволяет улучшить качество сталей и других сплавов. Но работа с высокими температурами возможна только в промышленных условиях. Если, конечно, у вас дома нет кузнечного горна прямиком из XVIII века.