Что будет если резко охладить металл раскаленный

Что будет если резко охладить металл раскаленный

Металл закаляют посредством сильного нагрева и резкого охлаждения. При этом температура нагрева металлического изделия должна быть критической и быть на уровне температуры, необходимой для изменения структуры кристаллической решетки. Охлаждают раскаленный металл, опустив его в воду, специальный раствор или масло.

Типы термической обработки

Термическая обработка, а именно так еще называют этот процесс, бывает нескольких типов: обработка с полиморфным обращением и без него. Первый тип термообработки используется преимущественно для некоторых сплавов и цветных металлов, а второй –для стальных изделий.

В процессе термообработки металлическое изделие приобретает улучшенные показатели твердости, а его начальная пластичность существенно снижается. Также снижается и вязкость материала. Уменьшение будет еще большим, если воспроизводить цикл неоднократно. Уменьшить показатели хрупкости, и немного улучшить вязкость позволяет процесс так называемого «отпуска». Он влияет на уменьшение приобретенной прочности, но показатели уменьшения будут незначительны. При отпуске металлов без полиморфного обращения (сплавы и цветные металлы) применяют процесс, который называется «старение».

Виды закалки

Закалка бывает как полной, так и неполной. При полной закалке происходят значительные изменения структуры материала и кристаллической решетки. Неполная закалка зачастую применяется к различным видам изделий из инструментальной стали.

Также бывают изделия, которые потребуют лишь частичной закалки. То есть, когда необходимо закалить не весь металл, а незначительную часть, например, режущую кромку (так закаливают мечи, различные резцы для станков, сверла и многое другое). На таком металле отчетливо наблюдается граница.

Технология закалки

Технология термозакалки предполагает собой резкое охлаждение, способное снизить температуру изделия до 600 – 410°С. Время, необходимое для достаточного разогрева металлического изделия, напрямую зависит от применяемого нагревательного устройства. При разогреве материала в мощной электропечи необходимо 1 – 2 минуты на термообработку 1 мм. При таком же процессе в печи с открытым пламенем достаточно и одной минуты, а при нагреве в ванне с раствором соли – около полуминуты. Самые минимальные затраты времени при закаливании с использованием ванны со свинцовым раствором, в которой достаточно и 6 секунд.

Когда раскаленный металл погружается в жидкость для закалки, происходит образование пленочного пара, который приводит к существенному снижению темпов остывания. Температура в пленочном паре существенно возрастает, а когда он разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности раскаленного металла и резко охлаждать его. Такой процесс называют кипением пузырьков.

При остывании металла жидкость перестает кипеть, а потому и сам процесс остывания существенно замедляется. В это время в металлическом изделии происходит процесс конвективного обмена теплом.

Таблица режимов закалки и отпуска стали

Температура нагрева, C°

Температура среды охлаждения, C°

Температура нагрева при отпуске, C°

Различия в закалке

Термозакалка изделий разниться от того, какие охладители используются для этого процесса. Она может подразделяться на:

Скорость остывания металлического изделия напрямую зависит от его размеров, а также формы. При этом существенную роль играет теплотворность стального изделия и сам вид используемой охлаждающей жидкости. При подборе жидкости надо учитывать легирующий состав и степень содержание углерода, ведь при наличии углерода менее чем в 20% стальное изделие подвергать закалке противопоказано.

В качестве жидкости, идеально подходящей для охлаждения, может использоваться вода, соляные и щелочные растворы. Также это может быть свинец и различные технические масла. Обычная вода охлаждает металл слишком быстро, что может подвергнуть его деформации и повредить структуру изделия.

Источник

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Источник

Закалка металла – что это?

Череповецкий завод металлоконструкций предлагает услуги по обработке металла. Мы можем выполнить его закалку с помощью современного оборудования и квалифицированных специалистов.

Что называют закалкой стали? Это нагревание металла до специального уровня температуры, при котором изменяется его структура, и последующее остывание на открытом пространстве или в какой-либо жидкости (воде или масле). К данной процедуре прибегают для повышения твердости стали. В условиях производства температура закалки определяется по диаграмме «железо-углерод».

Обработка применяется для:

Отпуск и старение металла

При помощи закалки стали повышается хрупкость изделия и его твердость. Отпуск металла – это еще одна необходимая процедура, в ходе которой он становится более пластичным, но при этом его прочность и твердость немного снижаются. Отпуск проводят постепенно и при более низком температурном режиме.

Отпуск – это разновидность термической обработки, которая применяется для изделий, закаленных до критической точки, в процессе которой происходит изменение структуры стали. Как происходит данный процесс: металл выдерживается в нагретом состоянии определенный промежуток времени, а затем медленно остывает на открытом воздухе. Отпуск осуществляют для сокращения внутреннего напряжения, увеличения пластичности металла и предотвращение его хрупкости.

Если проводить закалку стали без изменения его кристаллической решетки, то вы сможете предотвратить хрупкость металла, однако также получите проблемы с его твердостью. Повысить твердость изделия можно при помощи еще одного процесса термической обработки – старения металла, в ходе которого происходит распад пересыщенного твердого раствора.

С помощью старения достигается необходимая твердость и прочность закаленного металла. Старение бывает трех видов:

Способы закалки

По уровню применения температуры закалка делится на полную и неполную. Первый способ подходит для инструментальной стали, а второй – для цветной.

Способ термообработки также зависит от количества используемых охладителей. По типу охлаждающей среды термическая обработка бывает:

Закалка в одном охладителе

Данный вид термической обработки применяется для простых деталей, которые были изготовлены из углеродистой и легированной стали. В процессе закалки изделие сначала нагревается до нужной температуры, а затем охлаждается в жидкости. Сталь с высоким содержанием углерода диаметром от 2 до 5 мм достаточно охладить в воде, а легированную сталь и изделия меньшего размера – нужно охладить в масле.

Закалка с подстуживанием

Термообработка с одним охладителем может привести к термическому и структурному внутреннему напряжению. Это происходит в случае достижения минимума в разности температур. Напряжение растяжения образуется на поверхности стали, а напряжение сжатия – в центре. Чтобы уменьшить его, деталь держат на открытом воздухе немного времени.

Прерывистая

Данный вид закалки проводится в воде и масле или воде и воздухе. Изделие сначала нагревают до критической точки, затем быстро охлаждают в воде, а потом медленно – в маске или на открытом воздухе. Такой способ применяют для стали с высоким содержанием углерода. Прерывистая закалка относится к сложным методам, так как оптимальное время нахождение в воде сможет определить лишь специалист с большим опытом работы.

Ступенчатая

Прерывистая термическая обработка охлаждает деталь неравномерно: более тонкие поверхности охлаждаются быстрее. К тому же в этом случае очень сложно рассчитать время охлаждения в воде. Это проблемы решает ступенчатая закалка.

Такой метод закалки выполняется в несколько этапов. Первая ступень заключается в охлаждении и выдержки изделия в воде до тех пор, пока все сечения не будут одинаковой температуры. Второй этап – это завершающее охлаждение в медленном темпе.

Изотермическая

При данном виде термообработки нагревают для критической точки, а затем опускают в ванну с солью или маслом с температурой в 250 градусов. Сталь нужно выдержать в ванночке в течение 30 минут, а затем остудить на открытом воздухе. Такой вид закалки обеспечивает высокую прочность металла при хорошей вязкости.

Температурный режим

Для выбора температурного режима для закалки металла используют диаграмму «железо-углерод». Для стали с высоким содержанием углерода определить температуру очень просто. Нагрев конструкционной стали (с углеродом – менее 0,8%) необходимо нагреть до температуры над линией GS и на 30-50 градусов выше точки Ac3. Для материала с углеродом больше 0,8% оптимальная температура – на 30-50 градусов выше линии PSK.

Температурный режим для легированной стали выбирают в соответствии с критическими точками, но этот процесс считается более сложным из-за содержания в металле других компонентов.

Выбор охлаждающей среды

От выбора охлаждающей среды зависит будущее качество вашей детали:

Сталь с углеродом, которая имеет сложный состав, остужают в двух видах охладителей – сначала в воде, а затем в масляной ванне. Перемещать изделия из одной среды в другую нужно с максимальной скоростью.

Какую сталь подвергают закалке

Термообработке подвергают сталь, в которой содержание углерода не меньше 0,45%, а также инструментальную и легированную. У этих видов металла твердость увеличивается в несколько раз после процедуры закалки. Сталь с содержанием углерода не превышает 0,45% не подвергается термической обработке.

Какие дефекты могут возникать при закалке металла

Если не соблюдать рекомендуемые режимы при осуществлении закалки, могут проявиться следующие дефекты:

Закалка стали в условиях дома или дачи

Конечно, лучший результат от закалки получится, если она осуществляется профессионалами с большим опытом работы и в производственных условиях. Бывает такое, что вы приобрели инструмент, но он оказался недокаленным или незакаленным. В этих случаях прибегают к закалке в бытовых условиях. Этому процессу легко научиться. Осуществлять закалку можно на простом костре. Достаточно соблюдать следующую последовательность действий:

Изделия вытянутой формы необходимо поместить в форму вертикально. Для того чтобы определить оптимальную температуру в домашних условиях, можно воспользоваться специальной таблицей цветов. Вместо костра можно использовать простую печку.

Отпуск металла в духовке

Если есть такая необходимость, вы можете подвергнуть предмет отпуску в духовке. Поместите изделие в духовой шкаф, нагретый до 300-320 градусов и оставить там на 1 час. Далее деталь нужно вынуть и остудить на открытом воздухе.

Проверка металла на наличие термообработки

Перед процедурой закалки необходимо убедиться, что купленная нами сталь не подвергалась ранее термической обработке. Проверить это можно при помощи обычного паяльника. Инструмент нужно нагреть и провести им по металлическому изделию. Если он прилипает к металлу, то изделие не подвергалось термообработке. Если паяльник плавно проходит по поверхности или резко от нее отскакивает, то металлический предмет хорошо или слишком сильно обработан под воздействием высоких температур. Если следов термообработки не обнаружено, необходимо сделать ее самостоятельно.

Закалка ножа графитом

Термическая обработка при помощи графита полезна в том случае, если закалка требуется только для части предмета, а не для целого. У ножа этой частью является кромка.

Закалку ножа при помощи графита можно осуществлять в следующей последовательности:

Закалку гораздо проще и эффективнее осуществлять в условиях производства, чем в домашних. Вы также можете обработать металлическое изделие «топорными» методами с применением подручных средств.

Заказать закалку стали в ЧЗМК

Череповецкий завод работает для вас более 55 лет. Мы занимаемся изготовлением конструкций из металла, а также оказываем различные услуги по обработке стали. Наши квалифицированные специалисты выполняют работу качественно, в собственных цехах и на современном оборудовании.

Заказывая закалку стали у нас, вы можете не беспокоиться о качестве и результате. За процессом работы наши клиенты наблюдают с помощью онлайн-трансляции, а на все услуги у нас действует гарантия сроком от 12 до 24 месяцев.

Мы доставляем заказы во все регионы России и предлагаем удобные способы оплаты. Заплатить вы сможете наличным или безналичным расчетом.

Для получения консультации или оформления заказа звоните нам или оставляйте онлайн-заявку на сайте. Наши опытные менеджеры всегда рады помочь вам.

Источник

Что происходит с металлом при охлаждении

При охлаждении металл сжимается, его объем уменьшается, но удерживается расположенным вокруг металлом, длина и ширина которого не изменялась. Необходимо, чтобы дополнительное утолщение, полученное при растяжении металла, было восстановлено после охлаждения. Но так как металл имеет температуру, не соответствующую максимальной пластичности, то, сжимаясь, он поглощает небольшую часть удлинения окружающего металла.

Усиление осаживания металла осуществляется различными способами:

уменьшением скорости распространения теплоты путем создания кольца вокруг нагретой части металла из мокрой ветоши;

противодействием деформации путем нажатия на металл ручкой молотка или другим предметом около нагретой точки;

выстукиванием границ точки металла, нагретого докрасна, а затем и самой нагретой точки киянкой или рихтовочным молотком.

Наибольшее применение имеет последний способ.

Рассмотрим порядок выполнения технологических операций рихтовки различными способами.

При рихтовке нагреванием и выстукиванием горелку быстро подводят к центру пузыря, прогревают его и горелку отводят, когда разогретое докрасна пятно достигнет диаметра, равного максимум 12 мм.

При нагреве необходимо следить, чтобы металл не начал плавиться. Если нагретое пятно будет большего диаметра, это вызовет гораздо большую усадку, чем надо. Если работа выполняется в одиночку, то горелку откладывают, под лист (почти под дефект) помещают наковаленку. Быстро выстукивают не покрасневший металл вокруг нагретой точки, а затем и нагретую точку, пока металл еще остается темно-красным.

Обработку предпочтительнее вести деревянной киянкой. При рихтовке молотком-гладилкой сила удара должна быть небольшой, чтобы не создать растяжения металла вместо усаживания.

Если пузырь небольшой, то достаточно провести обработку одной точки.

Работу можно считать завершенной только тогда, когда металл остынет до температуры окружающей среды. Для ускорения охлаждения применяют мокрую ветошь или пропитанную водой губку. Если необходимы дополнительные точечные нагревы, то их делают не более двух-трех между каждым охлаждением. Их располагают вокруг центральной точки.

После охлаждения нагретого листа проводят легкую рихтовку прогретого сектора, чтобы выровнять поверхность металла, которая имела до этого деформацию.

Расположение точек усадки зависит от формы пузыря. Если пузырь круглый, то точки располагаются по радиусу. Если пузырь длинный и узкий, то точки нагрева располагают узкими рядами.

Подчеркнем, рихтовка с применением точек усадки требует опыта, который приобретается со временем. Легче проводить такие работы на округлых деталях или сильно выпуклых, чем на почти плоских панелях или панелях с малой выпуклостью. Трудность заключается в восстановлении точной длины металла. Разгонять пузырь необходимо как можно осторожнее, так как рихтовка вызывает удлинение металла, которое должно обеспечить желаемую длину металла. Стоит только нанести несколько сильных ударов, как образуется новый пузырь. В то же время, если нанесено меньшее, чем необходимо, количество ударов, то неопытному может показаться, что металл вокруг пузыря слишком вытянут. Он будет пытаться устранить это точками усадки и выполнять их в большем количестве для достижения малоуловимого равновесия металла, чем опытный жестянщик.

Рассмотрим другой способ устранения пузыря – путем наложения влажного охлаждающего кольца. Он осуществляется следующим образом. Смоченную в воде ветошь располагают вокруг нагреваемой точки, что затрудняет распространение теплоты и, как следствие, уменьшает деформацию, предшествующую нагреву металла докрасна. При этом металл получает большую усадку, чем без предварительного охлаждения, но меньшую по сравнению с применением выколотки.

Вместо ветоши можно использовать пасту. Паста выполняет такую же роль, что и влажное кольцо из ветоши, но действие оказывает более сильное.

При этом способе нагрев деформированной детали осуществляется пропусканием электрического тока большой силы и низкого напряжения. Вспомним, что точечная сварка легко нагревает докрасна металл, сжатый двумя электродами. Общий принцип действия всех промышленных аппаратов точечной сварки заключается в быстром местном нагреве металла, находящегося в контакте с угольным электродом, установленным в держателе. В зависимости от типа держателя и различной установки электродов сварка может осуществляться точками, прямыми строчками, кривыми строчками. Один провод подводит напряжение к держателю электрода, а второй соединяет лист с массой.

Для устранения пузыря этим способом проводят подготовительные работы. Сначала выправляют деформированную часть с помощью обычных инструментов. Если вмятины небольшие, можно обойтись без правки. С мест обработки удаляют краску (она является изолятором). Операция может выполняться как вручную шабером, так и шлифовальной машинкой. Зачищают также место соединения с массой.

1. Режимы нагрева металлов

Режим нагрева металла – это порядок и способ нагрева металла, который обеспечивает температуру и скорость, необходимые для получения заготовок, пригодных для ковки и получения из них качественных поковок.

Температура нагрева металла для ковки имеет очень важное значение, так как может влиять на качество де­талей получаемых ковкой, поэтому за ней требуется по­стоянный контроль. Для этого в кузницах с нагреватель­ными печами используют термопары и различные виды пирометров. При нагреве металла в горнах, как правило, можно приближенно определять температуру нагрева металлов на глаз по следующим цветам каления, при дневном освещении в тени:

Цвет нагретого металла | Температура………….. °С

Темно-коричневый (заметен в темноте)…..530 … 580

Темно-вишнево-красный……………………. 730 … 770

Температура нагрева сталей в начале ковки должна быть ниже их температуры плавления на 150…200°С. При более высокой температуре может наступить явление пережога. Во время ковки металл остывает и ковать его становится затруднительно, а затем и невоз­можно. Поэтому ковку металла следует заканчивать с температурой на 20 … 30 °С выше допускаемой темпе­ратуры ковки.

Время нагрева сталей зависит от размеров заготовок и Химического состава. С одной стороны, для уменьшения образования Окалины и увеличения производительности желательно уменьшать время нагрева. С другой, — заго­товки больших размеров, а также из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей следует нагревать посте­пенно и даже ступенчато.

2. Дефекты при нагреве и меры их предупреждения

При нагреве заготовок в них могут появиться следую­щие дефекты:

– окалинообразование или угар,

– недогрев металла,
– перегревмстальной заготовки,

Окалинообразование или угар получается в результате образования оксидов железа на поверхности заготовки яри ее нагреве. Образование окалины обычно называют угаром металла.

Окалина — это хрупкое и непрочное вещество с со­держанием до 30% железа. Угар стали, в результате об­разования окалины, может достигать 4 … 5% от массы заготовки за один нагрев в горнах и несколько меньше (до 3%) в нагревательных печах. Если учесть, что при ковке заготовку приходится нагревать несколько раз (иногда до шести), то станет ясно, какое большое коли­чество металла идет в отходы в результате угара металла.

Количество образующейся окалины зависит от ско­рости и температуры нагрева метелла, формы заготовки, химического состава стали, вида топлива, пламени и дру­гих факторов.

Обезуглероживание происходит одновременно с окисле­нием железа и выражается в том, что при нагреве стали углерод, содержащийся в ее верхних слоях, выгорает и сталь становится более мягкой. Значит химический со­став стали изменится и не будет соответствовать той марке, из которой должна быть изготовлена деталь. При умень­шении содержания углерода уменьшается прочность и твердость стали, ухудшается способность ее закалива­ться. Глубина обезуглероженного слоя может достигать 2 … 4 мм, поэтому обезуглероживание опасно и для мел­ких поковок, имеющих небольшие припуски и для поковок, которые после механической обработки подверга­ются закалке. Низкоуглеродистая сталь может не зака­литься.

Процесс обезуглероживания начинается при темпера­туре 800 … 850 °С. Интенсивность обезуглероживания зависит от содер­жания углерода в стали.

Недогрев — это такой нагрев металла, при котором заготовка нагрелась неравномерно по сечению или участ­кам длины. Очевидно, что такую заготовку нельзя вы­нимать из горна или печи и ковать. Если заготовка с од­ной стороны имеет белый цвет каления, а с другой еще желтый или красный, то из нее будет затруднительно получить поковку требуемой формы. Недогрев заготовок по толщине нельзя обнаружить по цвету каления. Поэ­тому необходимо знать расчетную или опытную норматив­ную величину продолжительности нагрева различных по сечению заготовок и строго ее придерживаться. Недогрев может появляться при плохом тепловом ре­жиме.

Перегрев нельзя обнаружить по внешнему виду нагре­той заготовки и даже в процессе ее ковки. Деталь, изго­товленная из перегретого металла, быстро ломается, так как перегретый металл имеет крупнозернистую струк­туру и поэтому не прочен. Сильно перегретая заготовка иногда разрушается уже при ковке — в углах появляются трещины. Для предотвращения перегрева не следует допу­скать выдержки заготовки в горне или печи при высокой температуре больше, чем рекомендуется расчетами или нормативами.

Пережог является опасным дефектом нагрева металла. Явление пережога объясняется следующим образом. При температуре выше 1250 … 1300 °С зерна металла стано­вятся очень крупными, а связь между ними настолько ослабевает, что начинает проникать кислород и сталь при действии на нее небольших сил разрушается. Переж­женную сталь необходимо отправлять на переплавку.

Пережог можно обнаружить по внешнему виду нагре­ваемого металла. Поверхность металла при пережоге имеет ослепительно белый искрящийся цвет. При пере­движении пережженной заготовки от нее отлетают ярко-белые искры.

Трещины и раскалывание поковок являются дефектами нагрева металла. Наиболее часто поковки с такими дефек­тами получают из легированных и инструментальных ста­лей вследствие несоблюдения режимов нагрева их и про­должения ковки с температурой ниже температуры окон­чания ковки.

3. Изменения, происходящие в металлах при нагреве и ковке

Пластичность стали увеличивается при нагреве, т. е. когда в ней начинаются внутренние превращения, состоя­щие в укрупнении зерен и ослаблении связей между ними. Поэтому прочность стали уменьшается, она становится мягкой и пластичной. Это позволяет с меньшими усилиями деформировать металлы.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соот­ветственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его.

Износостойкость стальной заготовки. Чем быстрее будет проходить процесс де­формации металла от начала ковки до конца ковки, тем металл будет прочнее, следовательно, ковку горячего металла рекомендуется проводить как можно быстрее и сильными ударами, потому что при ковке сильно нагре­того металла слабыми ударами в конце ковки он получа­ется – с крупнозернистым строением и поковка будет не прочной. Если требуется небольшая деформация металла, то перед ковкой его можно нагревать несколько ниже тем­пературы начала ковки, имея в виду, что ковка будет закончена до наступления критической тем­пературы (723 °С).

При продолжении ковки ниже критической температу­ры зерна пластически деформируются (вытягиваются) и остаются в напряженном состоянии, потому что при низкой температуре они уже не успевают переформиро­ваться в более мелкие зерна. После этого металл утрачи­вает пластичность и становится более прочным, твердым и хрупким.

Упрочнение металла под действием пласти­ческой деформации называется Наклепом или Нагартовкой . Наклеп не желателен, так как при этом, кроме хрупкости, резко уменьшается свойство металла обрабаты­ваться резанием.

Если у вас возникли проблемы с удалением застрявшего болта, общий совет – нагревать болт. Но если металл расширяется при нагревании, не станет ли нагрев болта более трудным для его удаления? Каким образом нагревание болта отклеивает его?

Ответы

То, что здесь происходит, это старое доброе тепловое расширение:

Теперь, поскольку радиус гайки немного больше, чем у болта, и поскольку увеличение пропорционально длине покоя, гайка расширяется немного больше.

Если у вашего болта r = 1,5 мм, а у гайки R = 1,501 мм, что произойдет, если температура увеличится на 500 K? Что ж:

Как видно, до нагревания R – r = 1 мкм, а после R – r ≈ 1.001 мкм. Это увеличилось!

Обратите внимание, что мои цифры довольно дикие и используются только для примера. Я уверен, что я неправильно понял начальные значения, но я надеюсь, что они все равно помогут донести сообщение.

Вот некоторые грубые диаграммы, которые помогут объяснить, как это работает.

Болт застрял в отверстии

Когда болт нагревается, он расширяется. Поскольку стержень болта ограничен, он не может расширяться внутри отверстия.

Болт расширяется в направлении зеленой стрелки, но не может расширяться в направлении красных стрелок.

Как болт остывает, он сжимается. Сокращение, однако, не ограничено. Это означает, что болт может сжиматься во всех направлениях, делая его немного меньше.

Болт может сжиматься во всех направлениях.

Как только болт остынет, он должен быть меньше и его легче извлечь.

Фактическая причина, по которой это обычно работает, заключается в том, что ржавчина значительно больше, чем сталь, из которой она ржавеет, именно поэтому болт застревает в первую очередь. В некоторых других случаях тепловые работы заключаются в том, что болт был применен с помощью резьбонарезного приспособления, для удаления которого требуется нагрев (если он выходит без следов ржавчины, это очень хорошая ставка)

Многие виды ржавчины содержат «химически связанную воду» и теряют эту воду (и сжимаются) при достаточном нагревании.

Металл, расположенный в кольце, расширяется наружу при нагревании. Представьте себе нагретое кольцо из тонкой проволоки – оно расширяется в основном по всей длине, увеличивая как внутренний, так и внешний диаметры. То же самое происходит с материалом вокруг отверстия для болта.

Вообще, я стараюсь нагревать окружающий кусок, а не сам болт. Однако, даже если болт нагревается напрямую, проводимость обычно приводит к нагреву окружающего материала и, следовательно, расширению канала.

Рассмотрим шайбу или другое металлическое кольцо или диск с отверстием в нем. Когда кольцо нагревается, мы ожидаем, что кольцо расширится, и эксперименты подтвердят, что оно расширяется. Но расширяется ли отверстие в кольце, сжимается или остается того же размера?

. [T] намек на то, что вы делаете, когда пытаетесь открыть банку с масоном, и металлическая крышка с завинчивающейся крышкой застряла. Либо постучите по крышке ложкой (чтобы попытаться освободить застрявшую часть крышки), либо поместите крышку под горячую воду. Вы делаете последнее, потому что знаете, что металлическая крышка будет расширяться больше, чем стеклянная банка, и поэтому будет легче снять крышку.

И говоря, что металлическая крышка будет расширяться больше, чем стеклянная банка, мы действительно имеем в виду, что отверстие в крышке будет расширяться.

Я думаю, что разъяснение ответа необходимо. Орех не расширяется «больше», в итоге он становится больше, но прирост в% такой же.

Мое восприятие эффекта нагревания состоит в том, что не только расширяются болт и гайка или блок, но также и пространство между ними, не забывайте об этом.

немного большее пространство между ними, легче удалить. 🙂

Я думаю, что есть несколько факторов, которые способствуют этому эффекту, но я думаю, что один не был упомянут. Еще один способ освободить застрявший болт – это сильно ударить по нему. Как правило, это то, что вы делаете что-то большое, как клапан, но я думаю, что основная проблема та же. Что касается ржавчины, я ожидаю, что это может разрушить хрупкую структуру оксида. Другим фактором является то, что существует два типа трения. Есть статическое трение и кинетическое трение. Рассмотрим тяжелую (заполненную) картонную коробку на полу. Если вы попытаетесь сдвинуть его, он будет изначально «застрял». Как только коробка начинает двигаться, она скользит намного легче. Это та же самая причина, по которой плохо тормозить машину. Как только резина начинает скользить, трение значительно уменьшается.

Температура – это мера средней кинетической энергии молекул вещества. То есть молекулы движутся в любом веществе теплее абсолютного нуля, и чем быстрее они движутся, тем выше температура. Когда вы нагреваете что-то, вы добавляете кинетическую энергию в систему. Это буквально заставляет молекулы болта двигаться все быстрее и быстрее. В твердом теле молекулы не движутся свободно в пространстве и по существу вибрируют. На следующем изображении показано, как молекулы металла движутся при нагревании.

Я думаю, что это энергичное движение само по себе может создать тот же эффект, что и ударная волна, вызванная резким ударом. Это и неравномерное изменение размера болта и гайки может сломать статическое трение и / или разрушить хрупкую ржавчину. Я знаю, что если у вас есть ржавая чугунная сковорода, одно из решений – поставить ее на горячий огонь, и ржавчина просто отвалится.

Проблема еще более усугубляется тем фактом, что нет единого способа сделать это. В этом другом видео вы можете видеть, что гайка становится намного белее, чем болт, что означает, что она нагревается намного сильнее при нагревании. Подвох в том, что к тому времени, когда гайка снята, ни один из них больше не светится [в этом последнем видео], поэтому мы не можем визуально определить их температуру [разницу]. Воздух, однако, намного лучше изолятор, поэтому я подозреваю, что болт охлаждается быстрее, чем гайка, потому что он вступает в контакт с большим количеством металла, который действует как радиатор. Видео с тепловизором было бы определенным доказательством, но я не смог его найти. В описании этого последнего видео также говорится, что коррозионные соединения ослабляются при нагревании, что также вполне может быть правдой, но я не проверил науку об этом; это утверждение также предполагает, что эти связи не сразу восстанавливаются при охлаждении.

У меня есть простой ответ, что никто не сказал, что головка болта расширяется от поверхности, ослабляя натяжение нитей, таким образом делая его достаточно свободным, чтобы отключиться. Иногда болты слишком туго, даже если они не ржавые.

Положите пенни в дверной косяк и закройте его. Дверь будет почти невозможно открыть, потому что трение удержит ее на месте. Сгибание остальной части двери предотвратит ее перемещение. Ржавый болт, по сути, тот же принцип – многие мелкие соединения, образованные на резьбе болтов окисленным металлом, препятствуют его вращению.

Высокая температура и расширение металла просто служили разрушению этих связей. Это не имеет ничего общего с термодинамикой или любой другой научной ерундой. Это простое механическое действие расширяющегося металла, разрушающего ржавчину.

Источник