Вода охлаждает раскаленный металл

какая вода будет быстрее охлаждать раскалённый металл:

Эта задачка, встречающаяся в школьных физических викторинах имеет всегда один и тот же ответ, причем, не верный. Дурят наших школьников учителя не технари.
Там утверждается, что горячая вода охлаждает быстрее, с мотивировкой, что на скрытую теплоту парообразования должно затрачиваться энергии больше, чем на преодоление теплоемкости. (2260 дж и 4,2 дж на грамм воды соответсвенно) . Посыл верный, но на данном примере не работает.
Как инженер, утверждаю, что температура воды при закалке стали (обычно 730 градусов и выше) сильнейшим образом влияет на скорость охлаждения детали, и, соответственно, на ее свойства.
Самые высокие скорости охлаждения поверхности, (порядка 600 град в сек) дает охлаждение в воде нулевой темепратуры. Для стали получается наивысшая прочность и твердость и наименьшая пластичность. При охлаждении в горячей воде скорости охлаждения в разы меньше. Сталь приобретает свойства, почти как при охлаждении в кипящем масле. Т. е. не ахти какая твердая и прочная, но самое главное — не хрупкая) .

Скрытая теплота парообразования воды при погружении раскаленной детали в воду работает слабо. Вспомните капельку воды на раскаленной плите. Бегает капелька, но испаряться не желает, хотя тепла у плиты припасено на мновенное испарение десяков грамм воды. Паровая пленка не позволяет теплу раскаленного металла в воду перейти и заставить ее кипеть. Вот и выползает конвективный теплообмен, прорывающий паровую пленку, на первое место, практически убивая значимость испарительного теплообмена. А при конвективном теплообмене именно разность температур между нагретым телом и охлаждающей средой решающее значение имеет.

Кстати, вот для масла — все наоборот. В горячем масле скорость охлаждения выше, чем в холодном. Но тут уже другая причина подключается. Кто захочет — может объяснить.

Источник

Ученые из России выяснили, как ведет себя вода при закалке стали

МОСКВА, 30 июл – РИА Новости. Физики из Москвы раскрыли необычный характер кипения воды, помогающий стали или другим сплавам очень быстро охлаждаться при их закалке. Их выводы представлены в International Journal of Heat and Mass Transfer.

Кипение воды или многих других жидкостей сопровождается формированием большого числа пузырьков пара на поверхности нагревательных элементов или стенок сосуда. Превращаясь в газ и вырываясь наружу, испаренная вода уносит с собой большое количества тепла и охлаждает оставшуюся жидкость.

Как правило, чем горячее нагревательный элемент, тем сильнее кипит вода, однако у этого процесса есть один большой «враг», открытый немецким врачом Иоганном Лейденфростом еще в середине 18 века. Он обнаружил, что капля воды, упавшая на сильно раскаленный металл, испаряется очень медленно из-за образования очень тонкой пленки из пара, изолирующей жидкость.

Это касается не только воды — нечто похожее можно наблюдать, погрузив мокрую руку в сосуд с жидким азотом или расплавленным свинцом. Открытие эффекта Лейденфроста поставило перед учеными очень интересный вопрос – если вода ведет себя подобным образом в любых условиях, как тогда работает закалка металла, во время которой температура железа падает на сотни градусов за доли секунды?

Как пишут Забиров и его коллеги, три десятка лет назад британские физики обнаружили, что вода может кипеть и другим образом, если разница в температуре между жидкостью и нагревательным элементом будет еще выше, чем при работе эффекта Лейденфроста.

В таком случае пузырьки пара становятся очень маленькими и формируются несколько иначе, что препятствует появлению «изолирующей» пленки и не тормозит, а ускоряет процесс передачи тепла. Как именно возникают эти пузырьки, ученые не понимали до недавнего времени.

Физики из Московского энергетического института нашли ответ на эту загадку, создав реалистичную математическую модель кипящей жидкости. Для этого они объединили результаты десятков экспериментов, авторы которых изучали формирование пузырьков при закалке металла и других похожих процессах. Затем ученые попытались найти те факторы, которые мешали или способствовали такой форме охлаждения воды и соприкасающихся с ней предметов.

К примеру, объединение итогов опытов показало, что подобная манера кипения характерна не для всех жидкостей и металлов, что указало на ее связь с двумя свойствами и того, и другого материала – структурой поверхности металла и вязкостью жидкости. Как оказалось, на поверхности определенных типов сплавов и металлов присутствуют особые шероховатости, которые «пробивают» пленку из пара и позволяют пузырькам вырваться на свободу.

Набор формул, который описывает этот феномен, можно использовать не только для предсказания свойств сплавов и того, как они себя ведут при закалке, но и для массы других вещей. Как надеются ученые, их открытие принесет массу пользы во всех областях науки и техники.

Источник

Выбор охлаждающей среды при закалке. Вода, масло.

Наиболее часто в качестве охлаждающей жидкости при закалке используются вода и масло. Строго говоря, ни то ни другое полностью не соответствуют необходимым требованиям, к которым относятся:

1) быстрое охлаждение в интервале температур минимальной устойчивости аустенита — 650—550°С (см. с. 19);

2) охлаждение с умеренной скоростью в интервале температур мартенситного превращения — 300—200°С. Последнее обусловлено тем, что мартенситное превращение происходит не одновременно по всему объему детали: раньше оно начинается у поверхности, в результате чего появляются внутренние напряжения и возможны трещины. При меньшей скорости охлаждения такие напряжения также будут меньшими.

В первый период, в интервале температур 800—400°С, вода охлаждает со скоростью примерно 200°С/с. Этого вполне достаточно, чтобы предотвратить распад аустенита в углеродистой стали и обеспечить закалку. Во второй период, в интервале температур 400—100°С, скорость охлаждения в воде резко возрастает (до 400— 800°С/с). А надо было бы как раз наоборот, чтобы в этот период скорость уменьшилась, с тем чтобы снизить напряжения при образовании твердой, но хрупкой мартенситной структуры.

Существует неправильное представление о том, будто бы нагрев воды существенно уменьшает опасность образования трещин. При нагреве воды до 40—50°С скорость охлаждения в первый период снижается до 100°С/с и ниже, в то время как во второй период она, хотя также снижается, но остается все же сравнительно высокой — 350—550°С/с.

При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650—550°С, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого уже недостаточно для закалки углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин.

Закаливающая способность масел мало зависит от температуры. Так, при нагреве до 120—150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влияет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допускать, чтобы температура закалочного масла была более 80—90°С. Перегретое масло слегка дымит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа.

Закаливающая способность различных масел при одной и той же температуре зависит от их вязкости. В процессе работы вязкость масла постепенно повышается, и, следовательно, закаливающая способность его падает. Это происходит в основном по двум причинам: во-первых, вследствие насыщения масла продуктами его термического разложения и, во-вторых, благодаря попаданию в масло механических примесей (окалины и пр.).

Масло становится непригодным для закалки и подлежит замене, если одна или несколько его характеристик, устанавливаемых при контроле, превосходят следующие предельные нормы:

1) повышение вязкости более чем на 40% по сравнению с исходной;

2) содержание смол более 10%;

3) содержание механических примесей более 0,15%;

4) кислотность более 2—2,5 мг КОН/г.

Промышленностью освоен выпуск специальных закалочных масел серии МЗМ. Они содержат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. В зависимости от марки такие масла можно использовать при температурах от 70 до 175°С.

Хорошие результаты получаются при использовании для закалки водовоздушной смеси. С этой целью применяют форсунки, в которых вода распыляется с помощью сжатого воздуха. Регулируя соотношение воды и воздуха, а также давление смеси, можно изменять скорость охлаждения. Это особенно важно при закалке крупных деталей, когда охлаждение в воде может вызвать трещины, а охлаждение в масле не обеспечивает получения необходимой твердости. При давлении воздуха 3 ат и расходе воды 100 л/ч скорость охлаждения получается примерно такой же, как и в масле.

Источник

3 способа самостоятельной закалки металла

Расскажем о трех способах закалки металла в домашних условиях, охлаждении и контроле качества. Как правильно провести закалку стали в масле и на открытом огне. Какое масло выбрать. Особенности закалки алюминия и меди.

Как можно закалить металл в домашних условиях, наверное, знает каждый мастер, работающий со слесарным или столярным инструментом. Считается, что для этого достаточно разогреть изделие докрасна, а затем охладить его в емкости с водой

Однако в домашней мастерской этим способом можно получить только твердый и хрупкий металл, который вполне подходит для стамесок и ножей, но непригоден для молотков, кернеров или зубил. Режимы термообработки зависят от марки стали и требуемых параметров изделия после закалки, а к ним относятся не только твердость, но и прочность, износостойкость, пластичность и вязкость.

В домашних мастерских, как правило, отсутствуют измерительные приборы, с помощью которых можно узнать температуру детали. Поэтому для того, чтобы закалить деталь, границы нагрева и отпуска приходится распознавать по цвету металла или его побежалости.

Кроме того, перед тем как закалить какое-либо изделие, мастер должен определить (хотя бы приблизительно) марку стали или сплава, из которого оно изготовлено.

Со временем накапливаются и знания, и навыки, но начинающему термисту даже для того, чтобы в домашних условиях успешно закалить сверло, резец или какой-нибудь крепеж, сначала придется пополнить свой теоретический багаж, пообщаться с опытными специалистами и сделать несколько пробных закалок.

Способы бытовой закалки металла

Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей.

Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали.

К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки.

На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.

Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия.

Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.

Закалка на открытом огне

В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке.

Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров.

Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.

Распространенные среды для самостоятельного каления

Для закалки сталей в домашних условиях обычно используют следующие охлаждающие среды: воздух, воду и водные растворы, минеральное масло. В качестве водных растворов обычно используют 10-15%-й хлористого натрия (поваренной соли), а минеральное масло в домашних мастерских — это чаще всего обычная моторная отработка.

Чтобы закалить отдельные части изделия с разной твердостью, используют закалку с последовательным охлаждением в двух средах. Каждая из этих закалочных сред характеризуется своей скоростью охлаждения, от которой напрямую зависит структура обрабатываемого металла.

К примеру, воздух охлаждает сталь со скоростью 5÷10 °C в секунду, масло — 140÷150 °C, а вода (в зависимости от температуры) — 700÷1400 °C.

Чтобы правильно и без проблем закалить свое изделие, необходимо знать марку металла, из которого оно изготовлено, т. к. от этого зависит как температура нагрева, так и способ охлаждения. Народные умельцы для своих изделий в качестве исходных материалов чаще всего используют б/у изделия из быстрорежущих и инструментальных сталей, которые можно закалить в домашней мастерской.

Ниже в таблице приведены рекомендуемые температурные режимы и среды охлаждения для различных сталей.

Закалка металла в масле

На производстве для закалки обычно используют индустриальное масло И-20 или современные закалочные масла типа «Термойл», «Термо» или «Волтекс». В домашних мастерских народные умельцы пользуются тем, что имеется в наличии. Чаще всего это новое или отработанное моторное масло.

Чтобы безопасно закалить деталь в таком масле в домашних условиях, нужно помнить, что у него по сравнению с промышленными закалочными жидкостями гораздо более низкая температура вспышки, и при погружении в него раскаленного металла оно на короткий срок загорается с выделением едкого дыма.

Поэтому закалочная емкость, применяемая в домашней мастерской, должна иметь минимальную открытую поверхность и использоваться только на открытом воздухе или в проветриваемом помещении. Помимо обычных ведер и жестяных банок, одна из самых распространенных конструкций такой емкости, которой пользуются домашние мастера — это удлиненный отрезок трубы подходящего диаметра с приваренным днищем.

Изготовление камеры для закаливания металла

В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота.

Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой. При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода.

Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров. Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы.

Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства.

Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).

На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.

Как самостоятельно провести отпуск

Для большинства сталей (углеродистых и низколегированных), которые можно закалить в домашней мастерской, отпуск проводится при температурах в интервале от 150 до 250 °C (см. таблицу выше). В отличие от закалки такой нагрев не требует специального оборудования, поэтому многие домашние мастера используют для этих целей духовки бытовых плит с терморегуляторами.

Определить температуру нагрева при отпуске можно по цвету побежалости — разноцветной оксидной пленки, возникающей на поверхности стали при нагреве (см. рис. ниже). Если закалить сталь «на мартенсит», т. е. с быстрым охлаждением в воде, то получится очень твердая, но хрупкая структура. Поэтому отпуск является обязательной процедурой при термической обработке режущего инструмента.

Проверка качества закалки

Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме.

Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.

Особенности закалки алюминия

Такая потребность у домашнего мастера может возникнуть после сварки между собой деталей из алюминиевых сплавов, т. к. в этом случае они очень часто теряют жесткость в области, прилегающей к сварному шву. Но в домашних условиях закалить алюминий очень сложно, т. к. для этого нужно точно знать тип сплава и выдерживать термические параметры с точностью как минимум ±5 °C.

Охлаждение тоже требует определенных навыков, т. к. при неточном соблюдении технологии изделие может повести. Если же все-таки хочется освоить этот вид термообработки для использования в домашних условиях, то в первую очередь необходимо обзавестись печью с точным терморегулятором, а также быть готовым к тому, что каждый раз придется закаливать поочередно несколько образцов для подбора нужных параметров термического процесса.

Особенности закалки меди

Технологии термообработки стали и меди имеют принципиальные отличия. Нагрев меди до красного каления (свыше 600 °C) и быстрое охлаждение в воде приводит к ее отпусканию (т. е. она становится мягкой).

Закалить медь в домашних условиях сложнее, чем отпустить, т. к. для этого ее нужно нагреть всего до 400 °C, при которых она не имеет свечения. После нагрева до указанной температуры медное изделие медленно остужается на воздухе, после чего оно приобретает твердость, как после нагартовки.

Если все-таки есть насущная потребность закалить какое-то количество медных деталей в условиях домашней мастерской, придется обзавестись пирометром для контроля температуры нагрева.

Мы описали два способа проверки качества закалки в домашних условиях. А какие знаете вы? Поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к этой статье.

Источник