При изготовлении металлоизделий, которые будут подвергаться повышенным механическим нагрузкам, не обойтись без термической обработки. Термообработка дает возможность металлическим изделиям обрести оптимальную твердость.
Основу температурной обработки составляет закалка. Для закалки подавляющего большинства сталей, цветных металлов и сплавов применяются так называемые закалочные ванны.
Ванна для закалки – емкость цилиндрической или прямоугольной формы, которая заполняется жидкой рабочей средой (водой, маслом, солевыми растворами или полимерами). В ванне производится охлаждение разогретых металлических изделий.
В обзоре будут даны советы о том, как выбрать закалочную ванну.
Закалка металла
Нагрев металлических изделий производится в специальной печи, в среде защитных газов. Температура нагрева должна на 50 С превышать температурный порог изменения кристаллической решетки. Для стали данная температура составляет 768 С. После этого нагретый металл нужно резко охладить. Для данной цели и используется закалочная ванна.
При нагреве металла кристаллическая решетка превращается из фазы феррита и цементита в аустенит. Достигнув фазы аустенитного превращения изделие обретает мелкозерниструю структуру, что делает металл предельно качественным. Далее нагретый металл необходимо быстро охладить.
Быстрое охлаждение нужно для получения так называемой неравновесной фазы (аустенит превращается в мартенсит). Это позволяет максимально полно зафиксировать мелкозернистую структуру металла.
Процесс закалки для различных марок стали, как и цветных металлов со сплавами, будет различаться. Чтобы добиться от закалки оптимального результата, необходимо проводить термообработку в полном соответствии с маршрутной картой.
Процесс закалки должен быть полностью контролируемым. Термисту нужно позаботиться о точном соответствии температурных режимов заданным в маршрутной карте значениям.
Чтобы взять под полный контроль термообработку металлических изделий, необходимо использовать закалочную ванну, которая оборудована всем необходимым для этого оснащением.
Как выбрать ванну для закалки по конструкции.
Конструкция закалочной ванны
Ванна для закалки металлоизделий должна быть оборудована всем необходимым, чтобы обеспечить точное соблюдение температурных режимов. Все закалочные ванны имеют приблизительно одинаковую конструкцию, различаться могут по большей части лишь габариты.
Конструкция закалочной ванны состоит из следующих компонентов:
- Рабочая емкость
- Сетка-вкладыш
- Циркуляционный насос
- Вентиляция
- Теплообменник
- Нагреватель
- Управляющая аппаратура
Касательно размеров закалочной ванны, вместительность профессиональных моделей, которые используются в производстве, начинается от 1 (м3). Подобная ванна позволяет за один подход закалить примерно до 50 (кг) металлических изделий.
- Рабочая емкость – основа ванны, созданная из листового металлопроката. Ванна обычно имеет форму прямоугольника. Чуть реже встречаются цилиндрические емкости. Толщина листового металла составляет от 2 до 5 (мм), зависимо от общей вместительности ванны для закалки.
Листовой металл соединяется методом электродуговой сварки.
- Сетка вкладыш – сетчатая корзинка, позволяющая удерживать вместе партию одиночных металлоизделий. Благодаря сетке мелкие заготовки не будут рассыпаться по всей ванной. Сетка позволяет удобно загружать и выгружать мелкие изделия.
Если же ванная используется для закалки одного крупного изделия, то сетку использовать нет смысла. В данном случае сетка полностью извлекается, а заготовка размещается просто на дне ванны.
- Циркуляционный насос – неотъемлемый элемент закалочной ванны. Благодаря насосу создается поток теплоносителя. Это очень важно, так как разогретая остывающей заготовкой жидкость должна отводиться в теплообменник.
В некоторых случаях при охлаждении заготовки используется длительная выдержка на определенной температуре. Для таких режимов закалки в ванной предусматривается нагреватель. Чтобы быстро регулировать температуру жидкости, используется циркуляционный насос, который перераспределяет потоки рабочей среды между теплообменником и нагревателем.
- Вентиляция – воздушная система, позволяющая безопасно выводить из закалочной ванной вредные для человеческого организма пары.
Особенно актуальна система вентиляции для масляных и щелочных ванн. Дело в том, что при нагреве масел, особенно минеральных, выделяются токсичные вещества, которые очень пагубно воздействуют на человеческий организм.
Вентиляция необходима и при заправке ванны раствором каустиника. Это раствор каустической соды в концентрации 50%. При нагреве щелока до высокой температуры происходит выделение едких паров, которые могут представлять серьезную опасность для находящихся рядом людей.
Разумеется, есть закалочные ванны, в которых конструктивно не предусмотрена вытяжка. Такие модели используются для закалки либо в чистой воде, либо в жидких полимерах.
Наиболее безопасными, в плане испарений, являются полимерные закалочные ванны. Подобные составы не кипят, не пригорают, не пенятся и не дают испарины. Закалка металла в жидких полимерных составах считается на сегодняшний день наиболее современной и продвинутой.
- Теплообменник – радиатор, позволяющий эффективно рассеивать вырабатываемое горячей заготовкой тепло. Рабочая жидкость закалочной ванны должна иметь стабильную температуру, соответствующую нормативам того или иного этапа закалки.
Если говорить о закалке стали в воде, то температура рабочей среды должна находиться в пределах 20-30 С. Чтобы быстро и эффективно отводить тепло от заготовки, циркуляционный насос перегоняет нагретую жидкость в теплообменник, где осуществляется отбор лишнего тепла.
Таким же образом охлаждается и масло, и полимеры и прочие закалочные жидкости.
Чаще всего теплообменник подвергается принудительному обдуву воздушным вентилятором. Но в продаже имеются и ванны, в которых охлаждение теплоносителя происходит при помощи хладагента. Такие теплообменники работают по принципу холодильной или морозильной камеры.
- Нагреватель необходим в тех случаях, когда закалка предусматривает выдержку металлической заготовки при определенной температуре.
В данном случае при охлаждении жидкости ниже пороговой отметки циркуляционный насос начинает направлять жидкость вместо теплообменника на нагреватель. Если же жидкость нагреется свыше предельного значения, то нагреватель отключается и вода начинает поступать в контур теплообменника.
- Управляющая аппаратура – комплекс контрольных и исполнительных механизмов, при помощи которых достигаются оптимальные температурные условия для закалки металлоизделий.
Подавляющее большинство закалочных ванн оснащаются автоматизированным комплексом, который самостоятельно отслеживает соответствие температуры заданным параметрам. В случае выхода температуры за установленные рамки автоматика переключает поток жидкости между теплообменником и нагревателем.
Автоматизированные закалочные комплексы предельно просты в использовании. В данном случае пользователю необходимо лишь загрузить заготовки в сетку и включить необходимую программу. Все остальное закалочная ванная сделает сама.
Разновидности ванн для закалки.
Какие ванны для закалки существуют
Закалочные ванны можно классифицировать по типу рабочей жидкости:
- Вода
- Масло
- Щелочные и солевые растворы
- Жидкие полимеры
Столь широкое разнообразие закалочных жидкостей объясняется тем, что различные металлы требуют разных условий для закалки.
- Закалка в водной среде актуальна для металлоизделий простой формы. В воде обычно производится закалка стали, которая подвергается процессу цементации. Дополнительно вода хорошо подходит в случае поверхностной закалки.
У водной среды есть некоторые недостатки, которые не позволяют использовать данную жидкость при закалке многих металлов. Во-первых, вода приводит к появлению на поверхности металла трещин и окислов. В некоторых случаях происходит деформация изделия.
Во-вторых, закалка в воде приводит к потере углерода в поверхностном слое металла. Это главная причина, по которой в воде недопустимо калить тонкостенные изделия.
- Масло обеспечивает более «мягкую» закалку. Масляная среда способствует равномерному распределению тепла. Закалка в масле минимизирует потерю металлом углерода. Масло хорошо подходит для термообработки металлического троса и прочих изделий с тонкой стенкой.
При закалке в масле на поверхности металла появляется нагар. Дополнительно масло склонно к воспламенению.
Щелочные и солевые растворы используются при закалке металлических изделий сложной формы. При такой закалке в металле остается невысокий уровень напряжений, что позволяет сохранить точную геометрию изделий. При закалке в растворе каустической соды металл обретает белесый оттенок.
- Жидким полимерам можно доверить закалку практически любых видов металлов и сплавов.
