В материаловедении закалка — это быстрое охлаждение заготовки в воде, газе, масле, полимере, воздухе или других жидкостях для получения определенных свойств материала . Тип термической обработки , закалка предотвращает нежелательные низкотемпературные процессы, такие как фазовые превращения. Это достигается путем сокращения временного окна , в течение которого эти нежелательные реакции являются как термодинамически выгодными, так и кинетически доступными; например, закалка может уменьшить размер кристаллического зерна как металлических, так и пластиковых материалов, увеличивая их твердость.
В металлургии закалка чаще всего используется для закалки стали путем индукции мартенситного превращения, когда сталь должна быть быстро охлаждена до ее эвтектоидной точки, температуры, при которой аустенит становится нестабильным. Быстрое охлаждение предотвращает образование цементитной структуры, вместо этого принудительно растворяя атомы углерода в решетке феррита. [1] В стали, легированной такими металлами, как никель и марганец , эвтектоидная температура становится намного ниже, но кинетические барьеры для фазового превращения остаются прежними. Это позволяет начинать закалку при более низкой температуре, что значительно упрощает процесс. В быстрорежущую сталь также добавляют вольфрам , который служит для повышения кинетических барьеров, что, среди прочего, придает материалу свойства (твердость и стойкость к истиранию), как если бы заготовка охлаждалась быстрее, чем на самом деле. Даже медленное охлаждение таких сплавов на воздухе имеет большинство желаемых эффектов закалки; быстрорежущая сталь ослабевает гораздо меньше от циклического нагрева из-за высокоскоростной резки. [2]
Чрезвычайно быстрое охлаждение может предотвратить образование всех кристаллических структур, что приведет к образованию аморфного металла или «металлического стекла».
Закалка — это механический процесс, в котором сталь и чугунные сплавы укрепляются и закаляются. Эти металлы состоят из черных металлов и сплавов. Это делается путем нагрева материала до определенной температуры в зависимости от материала. Это дает более твердый материал либо путем поверхностной закалки, либо путем сквозной закалки в зависимости от скорости охлаждения материала. Затем материал часто закаляют , чтобы уменьшить хрупкость, которая может увеличиться из-за процесса закалки. К предметам, которые могут быть закалены, относятся шестерни, валы и износостойкие блоки.
До закалки литые стали и чугун имеют однородную и пластинчатую (или слоистую) перлитную зернистую структуру. Это смесь феррита и цементита, образующаяся при изготовлении стали или чугуна и медленном охлаждении. Перлит не является идеальным материалом для многих распространенных применений стальных сплавов, поскольку он довольно мягкий. При нагревании перлита выше его эвтектоидной температуры перехода 727 °C и последующем быстром охлаждении часть кристаллической структуры материала может быть преобразована в гораздо более твердую структуру, известную как мартенсит. Стали с такой мартенситной структурой часто используются в приложениях, где заготовка должна обладать высокой устойчивостью к деформации, например, в качестве режущей кромки лезвий. Это очень эффективно. [ почему? ]
Процесс закалки представляет собой последовательность, начинающуюся с нагрева образца. Большинство материалов нагревают до температуры от 815 до 900 °C (от 1499 до 1652 °F), при этом особое внимание уделяется поддержанию равномерной температуры по всей заготовке. Минимизация неравномерного нагрева и перегрева является ключом к приданию материалу желаемых свойств.
Вторым этапом процесса закалки является вымачивание. Заготовки можно вымачивать на воздухе (воздушная печь), в жидкой ванне или в вакууме. Рекомендуемое время выдержки в соляных или свинцовых ваннах составляет до 6 минут. Время выдержки может немного увеличиваться в вакууме. Как и на этапе нагрева, важно, чтобы температура по всему образцу оставалась максимально равномерной во время выдержки.
После того, как заготовка закончила замачивание, она переходит к этапу охлаждения. На этом этапе деталь погружается в какую-либо закалочную жидкость; различные закалочные жидкости могут оказывать значительное влияние на конечные характеристики закаленной детали. Вода является одной из самых эффективных закалочных сред, где требуется максимальная твердость, но есть небольшая вероятность, что она может вызвать деформацию и мелкие трещины. Когда твердостью можно пожертвовать, часто используют минеральные масла. Эти жидкости на основе масла часто окисляются и образуют шлам во время закалки, что, следовательно, снижает эффективность процесса. Скорость охлаждения масла намного меньше, чем воды. Промежуточные скорости между водой и маслом можно получить с помощью специально разработанной закалочной жидкости, вещества с обратной растворимостью, которое, следовательно, осаждается на объекте, замедляя скорость охлаждения.
Закалка также может быть выполнена с использованием инертных газов, таких как азот и благородные газы. Азот обычно используется при давлении выше атмосферного, вплоть до 20 бар абсолютного давления. Гелий также используется, поскольку его теплоемкость больше, чем у азота. В качестве альтернативы можно использовать аргон; однако его плотность требует значительно больше энергии для перемещения, а его теплоемкость меньше, чем у альтернатив. Чтобы минимизировать искажения в заготовке, длинные цилиндрические заготовки закаливаются вертикально; плоские заготовки закаливаются по краю; и толстые секции должны попадать в ванну первыми. Чтобы предотвратить образование пузырьков пара, ванна перемешивается.
Часто после закалки сплав железа или стали становится чрезмерно твердым и хрупким из-за избытка мартенсита. В этих случаях для повышения вязкости сплавов на основе железа применяется другой метод термической обработки, известный как отпуск . Отпуск обычно выполняется после закалки , чтобы снизить часть избыточной твердости , и осуществляется путем нагрева металла до некоторой температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем остывания на неподвижном воздухе.
Тепло отводится в три этапа:
Стадия A: над металлом образуются пузырьки пара, и он начинает охлаждаться.
На этом этапе, благодаря эффекту Лейденфроста , объект полностью окружен паром, который изолирует его от остальной жидкости.
Стадия B: Охлаждение паровым транспортом
Как только температура достаточно снизится, слой пара дестабилизируется, и жидкость сможет полностью контактировать с объектом, а тепло будет отводиться гораздо быстрее.
Этап C: Жидкостное охлаждение
Эта стадия наступает, когда температура объекта ниже точки кипения жидкости.
Существуют свидетельства использования кузнецами процессов закалки, начиная с середины железного века , но существует мало подробной информации, связанной с развитием этих методов и процедур, используемых ранними кузнецами. [3] Хотя ранние кузнецы, 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 нашей эры, [4] археологически трудно идентифицировать преднамеренное использование закалки. Более того, кажется, что, по крайней мере, в Европе, «закалка и отпуск по отдельности, похоже, не стали обычным явлением до 15-го века»; полезно различать «полную закалку» стали, когда закалка происходит настолько быстро, что образуется только мартенсит, и «слабую закалку», когда закалка происходит медленнее или прерывается, что также позволяет образовываться перлиту и приводит к менее хрупкому продукту. [5]
Самые ранние примеры закаленной стали, возможно, происходят из древней Месопотамии, с относительно надежным образцом закаленного долота четвертого века до н. э. из Аль-Мины в Турции. [6] Книга 9, строки 389-94 Одиссеи Гомера широко цитируется как раннее, возможно, первое письменное упоминание о закалке: [3] [7]
как когда человек, работающий кузнецом, погружает лезвие своего огромного топора или тесла в холодную воду, закаляя его, поскольку именно так сталь становится прочнее, так и глаз Циклопа зашипел вокруг балки оливы.
Однако не вызывает сомнений, что в этом отрывке описывается преднамеренная закалка, а не просто охлаждение. [8] Аналогичным образом, есть вероятность, что в Махабхарате упоминается закалка в масле железных наконечников стрел, но доказательства этого сомнительны. [9]
Плиний Старший затронул тему закалочных растворов, различая воду разных рек. [10] В главах 18–21 трактата XII века « De diversis artis» Феофила Пресвитера упоминается закалка, и среди прочего рекомендуется, чтобы «инструменты также подвергались более жесткой закалке в моче маленького рыжеволосого мальчика, чем в обычной воде». [3] Одним из наиболее полных ранних обсуждений закалки является первая западная печатная книга по металлургии Von Stahel und Eysen , опубликованная в 1532 году, что характерно для технических трактатов позднего средневековья.
Современное научное изучение закалки начало набирать обороты с XVII века, и важным шагом стало обсуждение, основанное на наблюдениях, Джамбаттистой делла Порта в его Magia Naturalis 1558 года . [11]
Медиа, связанные с Quenching на Wikimedia Commons