Охолодження металу – один із найважливіших процесів у металургії та металообробці, який безпосередньо впливає на кінцеві властивості металевих виробів. Він може здаватися простим лише на перший погляд, але насправді включає в себе складні технології та вимагає глибоких знань про поведінку металів при різних температурах. Для реалізації даного процесу може використовуватися різноманітне обладнання, наприклад, градирня. Тому наші спеціалісти пропонують розглянути детальніше, навіщо потрібне охолодження, якими способами воно здійснюється і який вплив має на властивості металів.
Навіщо потрібне охолодження металу
Охолодження металу – це не просто зниження його температури до кімнатної. У виробництві даний процес має кілька важливих цілей:
- Формування певної кристалічної структури, яка визначає механічні властивості металу.
- Зняття внутрішніх напружень, що виникають при нагріванні або деформації.
- Зміна твердості, міцності, пластичності та інших характеристик.
- Стабілізація розмірів і форми виробу.
При неправильному охолодженні в металі можуть виникнути тріщини, деформації або нерівномірність структури, що призведе до браку готового виробу. Тому швидкість і спосіб охолодження підбираються індивідуально для кожного металу та конкретного завдання.
Читайте також які датчики використовуються в системі охолодження
Чим охолоджують метал?
Для охолодження металу використовуються різні середовища, вибір яких залежить від необхідної швидкості охолодження та бажаних властивостей кінцевого продукту:
Вода
Найпоширеніше і доступне охолоджувальне середовище. Вона забезпечує дуже швидке охолодження завдяки високій теплоємності та відмінній теплопровідності. При зануренні розпеченого металу у воду відбувається миттєве утворення парової сорочки, яка потім руйнується, забезпечуючи інтенсивний теплообмін.
Читайте також які вузли та агрегати включає в себе рідинна система охолодження
Переваги водяного охолодження – низька вартість і висока швидкість процесу. Однак є й недоліки: можливість утворення тріщин через термічний шок і нерівномірність охолодження.
Виходячи з нашого досвіду, для постійного охолодження великих об’ємів води потрібне спеціальне обладнання, наприклад, випарні градирні.
Масло
Охолодження в маслі відбувається менш інтенсивно, ніж у воді. Воно має вищу температуру кипіння і меншу теплопровідність, що забезпечує м’який і рівномірний процес. Для гартування використовуються спеціальні гартувальні масла, які зберігають свої властивості при високих температурах.
Масляне охолодження знижує ймовірність деформації та розтріскування виробів зі складною геометрією, але коштує дорожче і вимагає додаткових заходів безпеки через горючість даної речовини.
Повітря
Повітряне охолодження – найповільніший із поширених методів. Воно може бути природним (на спокійному повітрі) або примусовим (з використанням вентиляторів). Такий спосіб застосовується для легованих сталей і кольорових металів, які можуть набувати потрібних властивостей навіть при відносно повільному охолодженні.
Перевага повітряного охолодження – мінімальна внутрішня напруга в металі і, як наслідок, менший ризик деформацій.
Сольові та лужні розчини
Ці середовища використовуються для спеціальних видів гартування. Сольові розчини забезпечують більш рівномірне охолодження порівняно з водою, а також дозволяють регулювати швидкість процесу шляхом зміни концентрації солі. Лужні розчини можуть застосовуватися для обробки алюмінієвих сплавів.
Кріогенні рідини
В особливих випадках використовуються наднизькотемпературні середовища – рідкий азот (-196°C) або рідкий гелій (-269°C). Таке охолодження застосовується у високотехнологічних виробництвах, наприклад, в аерокосмічній промисловості. Коштує воно, звісно, дуже дорого.
Читайте також чому в системах охолодження найчастіше використовують воду
Які існують способи гартування металу?
Гартування – це особливий випадок термічної обробки, при якому метал спочатку нагрівають до певної температури, а потім швидко охолоджують для надання йому підвищеної твердості та міцності.
Об'ємне гартування
Найпоширеніший метод, при якому нагрітий виріб повністю занурюється в охолоджувальне середовище. Такий спосіб забезпечує рівномірні властивості по всьому об’єму деталі, але може викликати деформації у виробів складної форми.
Поверхневе гартування
Полягає в нагріванні лише поверхневого шару деталі з подальшим швидким охолодженням. Поверхневий нагрів може здійснюватися:
- індукційним методом (за допомогою струмів високої частоти);
- газовим полум’ям;
- лазерним променем;
- плазмовим струменем.
Такий метод дозволяє створювати деталі з твердою зносостійкою поверхнею і в’язкою серцевиною, що особливо важливо для деталей, які працюють в умовах ударних навантажень.
Ступінчасте гартування
Це проміжна витримка металу в середовищі з температурою вище точки мартенситного перетворення, а потім – остаточне охолодження. Допомагає знизити внутрішні напруження та ймовірність утворення тріщин.
Ізотермічне гартування
Передбачає витримку нагрітого металу в гартувальному середовищі, що має постійну температуру (зазвичай 250-400°C), з подальшим повільним охолодженням. Цей метод забезпечує мінімальні деформації виробу.
Вплив швидкості охолодження на структуру металу
Швидкість охолодження – критичний параметр, що визначає кінцеву структуру і властивості металу. У таблиці нижче представлені основні варіанти структур, що формуються при різних швидкостях охолодження вуглецевої сталі:
Швидкість охолодження | Структура, що формується | Властивості металу | Застосування |
Дуже висока (вода) | Мартенсит | Висока твердість, крихкість | Різальні інструменти, зносостійкі деталі |
Середня (масло) | Троостит, бейніт | Підвищена міцність при збереженні в’язкості | Деталі машин, що працюють при ударних навантаженнях |
Низька (повітря) | Сорбіт | Хороше поєднання міцності та пластичності | Пружини, ресори, вали |
Дуже низька (в печі) | Перліт | Невисока твердість, хороша оброблюваність | Деталі перед фінішною обробкою |
Особливості охолодження різних металів
Вуглецеві сталі
Швидкість охолодження вуглецевих сталей має бути достатньо високою для отримання мартенситної структури. Чим вищий вміст вуглецю, тим вища твердість після гартування, але й вищий ризик утворення тріщин.
Леговані сталі
Присутність легуючих елементів (хром, нікель, молібден, ванадій) збільшує прогартовуваність сталі і дозволяє використовувати менш інтенсивне охолодження. Деякі високолеговані сталі можуть гартуватися навіть на повітрі.
Алюмінієві сплави
Для алюмінієвих сплавів характерна термічна обробка, що включає гартування з високотемпературного нагріву (460-530°C) зі швидким охолодженням у воді та подальшим старінням. Цей процес дозволяє суттєво підвищити міцність матеріалу.
Мідні сплави
Багато мідних сплавів (бронзи, латуні) також піддаються гартуванню для зміни їх властивостей. Швидкість охолодження для них не така критична, як для сталей.
Охолодження металу – найважливіший етап термічної обробки, що значно впливає на кінцеві властивості виробів. Правильний вибір методу та режиму охолодження дозволяє отримувати матеріали із заданими характеристиками, що критично важливо для сучасного машинобудування, будівництва та інших галузей промисловості. Розвиток технологій охолодження продовжується, відкриваючи нові можливості для створення матеріалів з унікальними властивостями.
