Закалка - Quenching

Для использования в других целях см. Quench (значения).
Кокс заталкивают в закалочную машину, печи Hanna из Great Lakes Steel Corporation, Детройт, штат Мичиган, Ноябрь 1942 г.

В материаловедение, закалка это быстрый охлаждение обработки детали в воде, масле или воздухе, чтобы свойства материала. Тип термическая обработка, закалка предотвращает нежелательные низкотемпературные процессы, такие как фаза трансформации от происходящего. Это достигается за счет уменьшения окно времени во время которого эти нежелательные реакции являются как термодинамически благоприятными, так и кинетически доступными; например, закалка может уменьшить размер кристаллического зерна как металлических, так и пластмассовых материалов, увеличивая их твердость.

В металлургия, закалка чаще всего используется для затвердеть стали побуждая мартенсит превращение, при котором сталь должна быстро охлаждаться за счет эвтектоид точка, температура, при которой аустенит становится нестабильным. Из стали, легированной такими металлами, как никель и марганец температура эвтектоида становится намного ниже, но кинетические барьеры фазового превращения остаются прежними. Это позволяет начинать закалку при более низкой температуре, что значительно упрощает процесс. Быстрорежущей стали также добавил вольфрам, который служит для создания кинетических барьеров, которые, среди прочего, придают материалу такие 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 намного меньше ослабевает от теплового цикла за счет высокоскоростной резки.[1]

Чрезвычайно быстрое охлаждение может предотвратить образование всей кристаллической структуры, в результате чего аморфный металл или «металлическое стекло».

Закалочное упрочнение

Закалочная закалка - это механический процесс, при котором сплавы стали и чугуна упрочняются и упрочняются. Эти металлы состоят из черных металлов и сплавов. Это делается путем нагревания материала до определенной температуры, в зависимости от материала. Это дает более твердый материал за счет поверхностного или сквозного упрочнения, в зависимости от скорости охлаждения материала. Материал тогда часто закаленный для уменьшения хрупкости, которая может увеличиться в процессе закалки. Элементы, которые могут быть закалены, включают шестерни, валы и изнашиваемые блоки.

Цель

Перед закалкой литые стали и чугун бывают однородными и пластинчатыми (или слоистыми). перлитный зернистая структура. Это смесь феррит и цементит образуется при производстве стали или чугуна и медленно охлаждается. Перлит - не идеальный материал для многих распространенных применений стальных сплавов, поскольку он довольно мягкий. При нагревании перлита до температуры эвтектоидного перехода 727 ° C и последующем быстром охлаждении часть кристаллической структуры материала может быть преобразована в гораздо более твердую структуру, известную как мартенсит. Стали с этой мартенситной структурой часто используются в тех случаях, когда заготовка должна иметь высокую устойчивость к деформации, например, режущая кромка лезвий. Это очень эффективно.

Процесс

Процесс закалки - это постепенный процесс, который начинается с нагрева образца. Большинство материалов нагреваются до температуры от 815 до 900 ° C (от 1500 до 1650 ° F), при этом особое внимание уделяется поддержанию однородности температуры по всей заготовке. Сведение к минимуму неравномерного нагрева и перегрева является ключом к достижению желаемых свойств материала.

Второй этап процесса закалки - замачивание. Заготовки можно замачивать на воздухе (воздушная печь), в жидкой ванне или в вакууме. Рекомендуемое время пребывания в соляной или свинцовой ванне - до 6 минут. Время замачивания может быть немного выше в пределах вакуума. Как и на этапе нагрева, важно, чтобы температура во всем образце оставалась как можно более равномерной во время замачивания.

Как только заготовка пропитается, она переходит к этапу охлаждения. На этом этапе деталь погружается в охлаждающую жидкость; различные закалочные жидкости могут существенно повлиять на конечные характеристики закаленной детали. Вода - одна из самых эффективных закалочных сред, где желательна максимальная твердость, но есть небольшая вероятность того, что она может вызвать деформацию и крошечные трещины. Когда можно пожертвовать твердостью, часто используют минеральные масла. Эти жидкости на масляной основе часто окисляются и образуют осадок во время закалки, что, следовательно, снижает эффективность процесса. Скорость охлаждения масла намного меньше, чем у воды. Промежуточные скорости между водой и маслом могут быть получены с помощью специально разработанного охлаждающего агента, вещества с обратной растворимостью, которое, следовательно, осаждается на объекте, замедляя скорость охлаждения.

Тушение также может быть выполнено с использованием инертных газов, таких как азот и благородные газы. Азот обычно используется при давлении выше атмосферного в диапазоне до 20 бар абсолютного давления. Гелий также используется, потому что его теплоемкость больше, чем у азота. В качестве альтернативы можно использовать аргон; однако его плотность требует значительно больше энергии для движения, а его теплоемкость меньше, чем у альтернатив. Чтобы свести к минимуму деформацию заготовки, длинные цилиндрические заготовки закаливают вертикально; плоские заготовки закалены по кромке; и толстые секции должны попасть в ванну первыми. Для предотвращения образования паров ванну встряхивают.

Часто после закалки сплав железа или стали будет чрезмерно твердым и хрупким из-за переизбытка мартенсита. В этих случаях используется другой метод термической обработки, известный как закалка выполняется на закаленном материале с целью увеличения стойкость из утюг -основан сплавы. Темперирование обычно проводят после закалка, чтобы уменьшить часть лишнего твердость, и осуществляется путем нагрева металла до некоторой температуры ниже критическая точка в течение определенного периода времени, а затем дайте ему остыть на неподвижном воздухе.

История

Есть свидетельства того, что кузнецы использовали закалку, уходя в середину Железный век, но существует мало подробной информации, связанной с развитием этих методов и процедур, применявшихся первыми кузнецами.[2] Хотя первые мастера-металлисты, должно быть, быстро заметили, что процессы охлаждения могут повлиять на прочность и хрупкость железа, и можно утверждать, что термическая обработка стали была известна в Старом Свете с конца второго тысячелетия до нашей эры,[3] Археологически сложно идентифицировать преднамеренное использование тушения. Более того, похоже, что, по крайней мере, в Европе «закалка и отпуск по отдельности не стали обычным явлением до 15 века»; поэтому полезно различать «полную закалку» стали, когда закалка настолько быстрая, что образуется только мартенсит, и «слабая закалка», когда закалка медленнее или прерывистая, что также позволяет образовываться перлиту и приводит к меньшему хрупкий продукт.[4]

Самые ранние образцы закаленной стали могут происходить из древней Месопотамии, с относительно надежным примером закаленного долота четвертого века до нашей эры из Эль-Мина в Турции.[5] Книга 9, строки 389-94 Гомера Одиссея широко цитируется как раннее, возможно, первое письменное упоминание о закалке:[2][6]

как когда человек, который работает кузнецом, погружает кричащий большой клинок топора или тесла в холодную воду, чтобы вылечить его от гнева, так как таким образом сталь делается прочной, даже в этом случае глаз Циклопа шипит вокруг луча оливы.

Однако не вызывает сомнений, что этот отрывок описывает преднамеренное закалочное упрочнение, а не просто охлаждение.[7] Точно так же есть вероятность, что Махабхарата относится к закалке в масле железных наконечников стрел, но доказательства проблематичны.[8]

Плиний Старший обратился к теме закалочных, различающих воду разных рек.[9] Главы 18-21 двенадцатого века De diversis artis к Теофил пресвитер упоминает закаливание, рекомендуя среди прочего, что «инструменты также подвергаются более жесткому закаливанию в моче маленького рыжеволосого мальчика, чем в обычной воде».[2] Одним из наиболее полных ранних обсуждений закалки является первая западная печатная книга по металлургии. Фон Стахель унд Айзен, изданная в 1532 году, что характерно для позднесредневековых технических трактатов.

Современное научное исследование тушения тушения начало набирать обороты с семнадцатого века, и важным шагом стало обсуждение под руководством наблюдений Джамбаттиста делла Порта в его 1558 Magia Naturalis.[10]

Механизм отвода тепла при закалке

Отвод тепла происходит в три этапа:

Этап A. Пузырьки пара образуются над металлом и начинают охлаждаться

На этом этапе из-за Эффект Лейденфроста объект полностью окружен паром, который изолирует его от остальной жидкости.

Стадия B: охлаждение с переносом пара

Как только температура упадет в достаточной степени, паровой слой дестабилизируется, и жидкость сможет полностью контактировать с объектом, и тепло будет отводиться намного быстрее.

Этап C: жидкостное охлаждение

Эта стадия возникает, когда температура объекта ниже точки кипения жидкости.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Легерска, М .; Chovanec, J .; Чаус, Александр С. (2006). «Разработка быстрорежущих сталей для металлорежущего инструмента». Явления твердого тела. Получено 2019-04-05.
  2. ^ а б c Маккензи, Д. С. (июнь 2008 г.). «История закалки». Международная термическая обработка и обработка поверхностей. 2 (2): 68–73. Дои:10.1179 / 174951508x358437. ISSN  1749-5148.
  3. ^ Крэддок, Пол Т. (2012). «Металлургия в Старом Свете». В Silberman, Нил Ашер (ред.). Оксфордский спутник археологии. Том 1 из 3 (2-е изд.). Нью-Йорк: Oxford University Press (опубликовано 12 октября 2012 г.). С. 377–380. ISBN  9780199739219. OCLC  819762187.
  4. ^ Уильямс, Алан (2012-05-03). Меч и тигель: история металлургии европейских мечей до 16 века. История войны. Том 77. Лейден: Brill. п. 22. ISBN  9789004229334. OCLC  794328540.
  5. ^ Мури, П. Р. С. (Питер Роджер Стюарт) (1999). Древние мезопотамские материалы и производства: археологические свидетельства. Озеро Вайнона, штат Индиана: Айзенбраунс. стр.283 –85. ISBN  978-1575060422. OCLC  42907384.
  6. ^ Форбс, Р. Дж. (Роберт Джеймс) (1 января 1972 г.). Исследования древних технологий. Металлургия в древности, часть 2. Медь и бронза, олово, мышьяк, сурьма и железо. 9 (2-е изд. Ред.). Лейден: Э.Дж. Брилл. п. 211. ISBN  978-9004034877. OCLC  1022929.
  7. ^ П. Р. С. Мури, Древние месопотамские материалы и отрасли: археологические свидетельства (Озеро Вайнона, Индиана: Eisenbrauns, 1999), стр. 284.
  8. ^ Р. К. Дубе, «Металлические наконечники стрел и их закалка в масле: некоторые ранние индийские свидетельства», JOM: Журнал Общества минералов, металлов и материалов, 60,5 (май 2008 г.), 25-31.
  9. ^ Джон Д. Верховен, Стальная металлургия для неметаллургов (Парк материалов, Огайо: ASM International, 2007), стр. 117.
  10. ^ J. Vanpaemel. ИСТОРИЯ ЗАКАЛКИ СТАЛИ: НАУКА И ТЕХНОЛОГИЯ. Journal de Physique Colloques, 1982, 43 (C4), стр. C4-847-C4-854. DOI: 10.1051 / jphyscol: 19824139; https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00222126.

внешняя ссылка