В материаловедении закалка — это быстрое охлаждение заготовки в воде, газе, масле, полимере, воздухе или других жидкостях для получения определенных свойств материала . Вид термической обработки , закалка предотвращает возникновение нежелательных низкотемпературных процессов, таких как фазовые превращения. Это достигается за счет сокращения временного окна , в течение которого эти нежелательные реакции являются термодинамически выгодными 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 упрочнения стали путем индукции мартенситного превращения, при котором сталь необходимо быстро охладить до точки эвтектоида — температуры, при которой аустенит становится нестабильным. Быстрое охлаждение предотвращает образование структуры цементита , вместо этого принудительно растворяя атомы углерода в решетке феррита. [1] В стали, легированной такими металлами, как никель и марганец , температура эвтектоида становится значительно ниже, но кинетические барьеры фазового превращения остаются прежними. Это позволяет начать закалку при более низкой температуре, что значительно упрощает процесс. В быстрорежущую сталь также добавлен вольфрам , который служит для поднятия кинетических барьеров, что, помимо прочих эффектов, 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 дает большинство желаемых эффектов закалки; быстрорежущая сталь гораздо меньше ослабевает от термоциклирования из-за высокоскоростной резки. [2]
Чрезвычайно быстрое охлаждение может предотвратить образование всех кристаллических структур, в результате чего образуется аморфный металл или «металлическое стекло».
Закалка — это механический процесс, при котором стальные и чугунные сплавы упрочняются и закаляются. Эти металлы состоят из черных металлов и сплавов. Это делается путем нагрева материала до определенной температуры, в зависимости от материала. В результате получается более твердый материал либо за счет поверхностной закалки, либо за счет сквозной закалки, в зависимости от скорости охлаждения материала. Затем материал часто закаливают , чтобы уменьшить хрупкость, которая может увеличиться в процессе закалки. К изделиям, подлежащим закалке, относятся шестерни, валы и изнашиваемые блоки.
До закалки литые стали и чугуны имеют однородную пластинчатую (или слоистую) перлитно- зернистую структуру. Это смесь феррита и цементита , образующаяся при производстве стали или чугуна и медленном охлаждении. Перлит не является идеальным материалом для многих распространенных применений стальных сплавов, поскольку он довольно мягкий. Нагревая перлит выше температуры эвтектоидного перехода 727 ° C, а затем быстро охлаждая, часть кристаллической структуры материала может быть преобразована в гораздо более твердую структуру, известную как мартенсит. Стали с такой мартенситной структурой часто используются в тех случаях, когда заготовка должна быть очень устойчивой к деформации, например, режущая кромка лезвий. Это очень эффективно.
Процесс закалки представляет собой последовательный процесс, начинающийся с нагрева образца. Большинство материалов нагреваются до температуры от 815 до 900 °C (от 1500 до 1650 °F), при этом особое внимание уделяется поддержанию одинаковой температуры по всей заготовке. Минимизация неравномерного нагрева и перегрева является ключом к приданию материалам желаемых свойств.
Вторым этапом процесса закалки является вымачивание. Заготовки можно замачивать на воздухе (воздушная печь), в жидкой ванне или в вакууме. Рекомендуемое время пребывания в соляных или свинцовых ваннах – до 6 минут. Время вымачивания в вакууме может быть немного выше. Как и на этапе нагрева, важно, чтобы во время выдержки температура по всему образцу оставалась как можно более однородной.
Как только заготовка закончит замачивание, она переходит к этапу охлаждения. На этом этапе деталь погружается в закалочную жидкость; Различные закалочные жидкости могут оказать существенное влияние на конечные характеристики закаленной детали. Вода является одной из наиболее эффективных закалочных сред, где желательна максимальная твердость, но существует небольшая вероятность того, что она может вызвать деформацию и небольшое растрескивание. Когда жесткостью можно пожертвовать, часто используют минеральные масла. Эти жидкости на масляной основе часто окисляются и образуют осадок во время закалки, что, как следствие, снижает эффективность процесса. Скорость охлаждения масла значительно меньше, чем воды. Промежуточные скорости между водой и маслом можно получить с помощью специально разработанной закалки — вещества с обратной растворимостью, которое поэтому осаждается на объекте, замедляя скорость охлаждения.
Закалку также можно осуществлять с использованием инертных газов, таких как азот и благородные газы. Азот обычно используется при давлении выше атмосферного и до 20 бар абсолютного давления. Гелий используется также потому, что его теплоемкость больше, чем у азота. Альтернативно можно использовать аргон; однако его плотность требует значительно больше энергии для перемещения, а его теплоемкость меньше, чем у альтернатив. Чтобы минимизировать деформацию заготовки, длинные цилиндрические заготовки закаливают вертикально; плоские заготовки закаливаются по кромке; и толстые секции должны войти в ванну первыми. Для предотвращения образования пузырьков пара ванну перемешивают.
Зачастую после закалки сплав железа или стали оказывается чрезмерно твердым и хрупким из-за переизбытка мартенсита. В этих случаях закаленный материал подвергается другому методу термообработки, известному как отпуск , для повышения ударной вязкости сплавов на основе железа . Закалка обычно проводится после закалки , чтобы уменьшить часть избыточной твердости , и осуществляется путем нагревания металла до температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем его охлаждения на неподвижном воздухе.
Тепло отводится в три этапа:
Стадия А: над металлом образуются пузырьки пара и начинается охлаждение.
На этом этапе из-за эффекта Лейденфроста объект полностью окружен паром, который изолирует его от остальной жидкости.
Этап B: Охлаждение паротранспорта
Как только температура упадет достаточно сильно, 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, применявшихся ранними кузнецами. [3] Хотя ранние мастера по производству железа, 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] она археологически трудно определить преднамеренное использование закалки. Более того, похоже, что, по крайней мере в Европе, «отдельная закалка и отпуск, похоже, не стали обычным явлением до 15 века»; полезно различать «полную закалку» стали, при которой закалка настолько быстрая, что образуется только мартенсит, и «вялую закалку», при которой закалка происходит медленнее или прерывистая, что также позволяет формироваться перлиту и приводит к менее хрупкой стали. продукт. [5]
Самые ранние образцы закаленной стали, возможно, происходят из древней Месопотамии, а относительно надежный образец закаленного долота четвертого века до нашей эры 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 в холодную воду кричащее лезвие огромного топора или тесла, обрабатывая его для закалки, поскольку именно так сталь становится прочной, так и глаз Циклопа шипел о луче оливы.
Однако не подлежит сомнению, что в этом отрывке описывается преднамеренная закалка, а не просто охлаждение. [8] Аналогично, есть вероятность, что Махабхарата ссылается на закалку железных наконечников стрел маслом, но доказательства сомнительны. [9]
Плиний Старший обратился к теме закалок, различая воды разных рек. [10] В главах 18-21 книги «De diversis artis» XII века Теофила Пресвитера упоминается закалка, рекомендуя, среди прочего, что «инструменты также подвергаются 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.
Современные научные исследования закалки начали набирать реальный оборот с семнадцатого века, и важным шагом стала дискуссия Джамбаттиста делла Порта , основанная на наблюдениях , в его Magia Naturalis 1558 года . [11]
СМИ, связанные с тушением, на Викискладе?