Закалка — это нагрев стали на 30…50 °С выше температуры фазовых превращений, выдержка при этой температуре и последующее очень быстрое охлаждение в воде или в масле. Полученные при быстром охлаждении структуры являются нестабильными, они представляют собой различные стадии превращений аустенита ( мартенсит, троостит, сорбит ).
Процесс закалки сталей всегда был окутан мистикой, т.к. человек не знал процессов, происходящих при этом. Вспомним тайну булата. Еще до новой эры изготовляли булат (дамасская сталь), потом секрет был утерян, и только русский металловед Аносов П.П. в 1833 году в городе Златоусте открыл секрет. Оказывается здесь комплекс воздействий на металл : нагрев до определенной температуры, выдержка ( насыщение поверхности лезвия углеродом в кузнечном горне) и поэтапная ковка и закалка в несколько приемов. В итоге получается вязкая середина и высокая поверхностная твердость лезвия клинка из-за насыщения поверхности углеродом и закалки.
В середине XVII века «по неведению» возили в Америку из Англии воду, чтобы добиться таких же результатов закалки, как и в Англии. И вообще был даже . арабский рецепт закалки такого рода: нагреть кинжал до каления, охладить до цвета царского пурпура, погружая его в тело мускулистого раба. Считали, что сила раба перейдет в кинжал и придаст ему твердость. Также, были английские патенты с рекомендацией добавления в охлаждающую воду полевых цветов.
Доэвтектоидные стали (конструкционные стали) при закалке нагревают на 30 …50 °С выше точки Ас3 ; феррит и перлит образуют однородный твердый раствор аустенита. Если охлаждение металла проводить медленно, то будут происходить обычные фазовые превращения в соответствии с диаграммой железо- углерод. При очень быстром охлажденииаустенит не успевает изменить свою фазу при температурах ниже 727 °С , а в диапозоне температур 300…350 °С и ниже с ним происходят так называемые аустенитные превращения и образуется мелкоигольчатый мартенсит. Это будет полная закалка. А если нагреть сталь в интервале Ас1 .. Ас3, то будет неполная закалка (частичная перекристаллизация стали).
Эвтектоидные и заэвтектоидные стали также нагревают до температуры на 30… 50 °С выше Ас1, выдерживают и быстро охлаждают. В заэвтектоидной стали будет : мартенсит, вторичный цементит и остаточный аустенит (неполная закалка).
Нагревать деталь надо постепенно и равномерно, чтобы не было внутренних напряжений, трещин и разрушений. Однако медленный нагрев — это снижение производительности, обезуглераживание и окисление поверхности.
Чем больше углерода и легирующих элементов в стали, чем сложнее форма, тем медленнее надо нагревать деталь .
Предохранение от окисления металла проводится путем использования защитной газовой среды ( CO2, N,...) или вакуумных печей.
Охлаждение должно иметь большую скорость в пределах 650… 500 °С (чтобы не было распада аустенита на смесь феррита и цементита) и более медленно при 300… 200 °С, т.к. в этой области при образовании мартенсита возникают большие внутренние напряжения.
Вода очень хорошо охлаждает деталь в интервале 650… 550 °С, но и слишком быстро в интервале 300 …200 °С, поэтому для закалки высокоуглеродистых и легированных сталей применяют минеральные масла.
Изделия сложной формы закаливают в двух различных жидких средах или прерывистой закалкой (перенос в другую охлаждающую среду).
Закалка с самоотпуском. «Главными» инструментами в строительстве пока являются лом, зубило, кувалда и молоток, которые должны иметь высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Охлаждение их при закалке ведут не до конца, поэтому за счет тепла внутренних слоёв детали происходит отпуск (самоотпуск) металла.
Поверхностная закалка . Нагрев поверхности металла проводится токами высокой частоты (т.в.ч.), газовыми горелками и плазмой . При поверхностной закалке уменьшается коробление детали и практически нет окалины. В итоге образуется вязкая середина и твердая поверхность. Причем твердость поверхности будет выше, чем при обычной закалке.
Закалка с последующей обработкой холодом проводится для высокоуглеродистых сталей, у которых температура мартенситного превращения сталей находится в отрицательной области температур.
При химико - термической обработке (ХТО) сталей изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя. В результате ХТО упрочняется поверхностный слой (повышаются твердость и прочность, износоустойчивость)
Виды ХТО : цементация (насыщение поверхности углеродом), азотирование (насыщение азотом), цианирование (насыщение азотом и углеродом), металлизация, хромирование, борирование и др.
При цементации науглераживают поверхность на глубину 0,5.. 2 мм до повышения содержания углерода до 0,75… 1,2% . Цементация проводится в твердых (древесный уголь), газовых (природный газ, смеси газов) и жидких средах.
Азотирование — это насыщение стали или чугуна азотом. Чаще всего оно проводится в атмосфере аммиака NH3 . Процесс азотирования очень длителен, так насыщение азотом на глубину 0,5 мм надо проводить не менее 60 часов.
Эффективно цианирование ( твердое, газообразное и жидкое) мелких и средних деталей (шестерни, поршни, кольца, валики и др.).