Термообработка металлов - это один из основных способов улучшения их механических и физико-химических характеристик: твердости, прочности и других.
Одним из видов термообработки является закалка. Она успешно применялась человеком кустарным способом еще с давних времен. В Средневековье этот способ термической обработки использовали, чтобы улучшить прочность и твердость металлических предметов быта: топоров, серпов, пил, ножей, а также боевого оружия в виде копий, сабель и других.
И сейчас используют такой способ улучшения характеристик металла, не только в промышленных масштабах, но и в домашних условиях, в основном для закалки металлических предметов быта.
Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.
Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.
Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.
После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.
Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.
При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.
Особенности закалки стали
Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.
Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.
Виды закаливания сталей
В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.
Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.
Охлаждающая среда
Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.
Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.
Важно: При выборе среды, в которой проводят охлаждение металла после нагрева, следует учитывать, что в воде охлаждение проходит быстрее, чем в масле! Например, вода температурой 18°C способна охладить сплав на 600°C за секунду, а масло всего на 150°C.
Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).
Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.
Важно: Слишком быстрое охлаждение металла приводит к его излишней хрупкости! Это следует учитывать при самостоятельной закалке.
Различают следующие способы охлаждения:
- С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
- Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
- Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
- Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.
Температурный режим
Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.
Важно: Нагрев металла выше точки рекристаллизации приводит к крупнозернистому строению, ухудшающему его свойства: излишней хрупкости, приводящей к растрескиванию!
Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.
Как закалить металл в домашних условиях
Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.
Закалка топора на костре и в печи
Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.
На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.
Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:
1. Отжиг . Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.
А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.
Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.
2. Закалка стали . Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).
Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.
3. Отпуск лезвия топора . Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.
Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.
Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.
Закаливание ножа
Самостоятельно для закалки металлов целесообразно использовать печи. Для предметов быта в виде ножей, топоров, и других, наиболее подходящими являются муфельные печи небольшого размера. В них можно достичь температуры закалки намного выше, чем на костре и проще добиться равномерного прогрева металла.
Такую печь можно изготовить самостоятельно. В интернете можно найти множество простых вариантов ее конструкции. В таких печах можно разогреть металлическое изделие до 700-900°C.
Рассмотрим, как закалить нож из нержавейки в домашних условиях, используя муфельную электропечь. Для охлаждения вместо воды или масла используется расплавленный сургуч (можно достать в воинской части).
Каждый сплав имеет свой уникальный состав. Что же касается такого материала как сталь, то известно, что он содержит в себе железо и углерод в определенных пропорциях. Каждая марка стали имеет своё уникальное название, в котором зашифрован её химический состав и физические характеристики. Сталь 45 - не исключение. В данной статье рассмотрим этот популярный сплав более подробно.
Химический состав
Каждый, кто имеет дело со сплавами, знает, что элементы, которые входят в их состав влияют на их характеристику. Сталь 45 - конструкционная углеродистая качественная. Из названия становится понятным, что в её состав входит углерод - 0,45%. Большая часть, конечно же, приходится на железо - 97%. В остальные же 2,55 % входят такие химические элементы, как марганец (0,7%), кремний (0,2-0,3%), никель (0,25%), хром (0,25%), медь (0,25%), мышьяк(0,08), сера(0,04) и фосфор(0,035%). Каждый из 45. Например, марганец присутствует практически во всех марках стали. Он удаляет из неё кислород и уменьшает содержание серы. Кремний влияет на закаливаемость стали. Кроме того, он увеличивает предел текучести и упругости.
Углерод и его влияние на свойства стали
Одним из самых важных компонентов, который упрочняет этот сплав и придает ему твердость, является углерод. Кроме этого, он снижает пластичность и вязкость. Влияние углерода на характеристику стали 45 хорошо видно на диаграмме состояний. От структуры сплава и будут завесить его свойства. Так, например, при перлитной лучше поддается обработке и свариванию. Ферритная структура характеризуется незначительной твёрдостью и высокой пластичностью. Аустенит в сталях всегда жидкий и при его охлаждении может значительно меняться положение зерен углерода в кристаллической решетке.
Структура стали 45
Так, цементит - это химическое соединение Fe 3 C, а кроме него, в стали также присутствует и феррит (С). Вместе они образуют еще одну структуру - перлит. Поскольку содержание углерода ниже 0,8%, то такая сталь считается доэвтектоидной. И для того чтобы улучшить её свойства, её необходимо закалить или отжечь. Это достигается путем её нагрева, при котором она переходит в аустенитное состояние. Критические точки для этого сплава: АС 1 =725 °С, АС 3 =770°С. При нагреве его до 700°С, никаких заметных изменений не произойдет.
Рассмотрим диаграмму состояний стали 45 более подробно.
Так, поскольку в сплаве присутствует 0,45% углерода, на нижней горизонтальной линии, необходимо найти это значение. Поднимаясь, вверх от него можно проследить за всеми превращениями в стали. Так, при нагреве выше линии АС - сплав будет находиться в жидком состоянии.
Затем при понижении температуры атомная решетка железа перестроится из гранецентрированной в объемно-центрированную и соответственно в ней будет преобладать феррит. Большое количество углерода будет постепенно преобразовываться с аустенита в перлит. Конечная структура сплава будет зависеть и от того, каким образом сталь охлаждали после закалки.
Термическая обработка
Если данный сплав не подвергают термической обработке, в его структуре преобладает цементит и феррит, а значит, его невозможно механически обработать. Внутреннее напряжение между атомами этого сплава будет настолько высоким, что при фрезеровании и точении он будет трескаться. Для того чтобы этого избежать применяют термическую обработку. Она может состоять из нескольких процессов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Сама же термическая обработка будет зависеть от вида изделия (поковка, прокат) и от его технического назначения.
Взглянув еще раз на диаграмму состояний, можно сделать вывод, что 850 °С - это оптимальная температура для закалки. Именно в этой точке для стали с содержанием углерода 0,45% происходит переход в аустенитное состояние.
Поэтому чаще всего закалка стали 45 производится при температуре 850 °С, а отпуск - 550 °С. В таком случае сплав будет обладать пределом прочности - 900 МПа, пределом текучести - 800 МПа, ударной вязкостью - 1,2 МДж/м2, относительным сужением - 65% и твердостью 260. Если повысить температуру отпуска, то предел прочности, текучести и твердость понизятся, а остальные значения, наоборот, увеличатся.
Физические свойства
Как уже было сказано ранее, характеристики сплава в целом будут зависеть от 45. Сам по себе феррит мягкий и достаточно пластичный, а перлит является твердым, но более хрупким. Так, перлитная структура выглядит, как слоеное тесто. Кристаллы мягкого феррита чередуются с твердым цементитом. Последние, придают перлиту износостойкость и твердость. Исходя из этого, можно сделать вывод, что при повышении содержания углерода, увеличивается и объем, который занимает перлит и, конечно же, улучшаются свойства сплава.
В общих чертах можно сказать, что сталь 45 является достаточно прочной, выносливой и хорошо поддается механической обработке. Из недостатков можно выделить плохую свариваемость и подверженность коррозии. Детали из стали 45 устойчивы к износу и могут выдержать перепады температур от 200 до 600 °С. Более подробные сведения о физических и механических свойствах можно увидеть в следующей таблице.
Как и для любой другой стали, для этой перед механической обработкой необходимо делать расчет В них нужно обязательно выбрать правильный режущий инструмент, скорость вращения шпинделя и, конечно же, рассчитать подачу. Несмотря на то, что сталь 45 хорошо поддается механической обработке, при неправильном выборе режимов резания, возможны такие проблемы, как слишком горячая, отлетающая стружка, произвольное уменьшение оборотов шпинделя. Кроме того, для такого вида механической обработки как точение, для этого сплава рекомендуется применять охлаждающую жидкость.
Большое значение имеет и выбор режущего инструмента. Его необходимо выбирать согласно твердости стали 45. Например, отлично подойдет резец Т15К6 и другие со схожими свойствами.
Область использования
Исходя из характеристики стали 45, можно сделать вывод, что сплав находит широкое применение в металлургической промышленности. Так, из него изготавливают шпиндели, цилиндры, кулачки и самые разнообразные валы. Именно эти детали должны обладать повышенной прочностью. Различные предприятия изготавливают форму, сортамент и размеры, которые определяются ГОСТами. Сталь 45 относится к трудно свариваемым сплавам, поэтому большая часть сортамента производится в качестве бесшовных труб.
28. Закалка. Виды закалок.
Закалка – нагрев стали выше температуры фазовых превращений с последующим охлаждением по определённому режиму для получения нужной структуры и повышения твердости и прочности.
Процесс закалки стали заключается в ее нагреве до определенной температуры (на 30…50° выше линии GSKпо диаграммеFе -Fе 3 С), выдержке и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или других средах.
Доэвтектоидные стали надо нагревать примерно на 30...50° выше критической точки А с3 (линияGS):tзак= А с3 + 30…50°С
Заэвтектоидные стали следует нагревать под закалку выше А с1 (линияSK) на 30...50°.
Масла имеют скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения в 10 раз меньшую, чем вода, что уменьшает возможность возникновения дефектов при закалке.
Существуют следующие виды закалок:
Закалка в одном охладителе - самая распространенная - нагретое до температуры закалки изделие погружают в охлаждающую среду до полного охлаждения. (углеродистые стали в воде, а легированные стали - в масле). Этот способ прост, но может вызвать значительные внутренние напряжения.
Прерывистая закалка (закалка в двух средах) применяется для предупреждения появления внутренних напряжений в изделии. Этот способ используют при закалке крупных изделий из конструкционной углеродистой и низколегированной стали. Нагретое до нужной температуры изделие сначала резко охлаждают в воде до 300...200 °С, затем переносят в масло или на воздух, где оно медленно охлаждается. Недостаток - трудность регулирования времени выдержки.
Ступенчатая закалка - нагретое изделие охлаждают, погружая в соляную ванну, температура которой превышает температуру начала мартенситного превращения данной стали. Затем изделие выдерживают в ванне для выравнивания температуры по всему его объему и охлаждают на воздухе до нормальной температуры, что снижает внутренние напряжения. Её применяют для тонких стальных изделий из углеродистой стали.
Закалка с самоотпуском (закалка по цветам побежалости) заключается в том, что изделие охлаждают от температуры закалки в охлаждающей среде только в течение времени, которое необходимо для его прокаливания на определенную глубину. Дальнейшее охлаждение идет на воздухе. При этом осуществляется отпуск за счет теплоотдачи из внутренних слоев изделия. Данный способ применяют для закалки ударного инструмента (зубила, кузнечный инструмент и др.).
Поверхностная закалка применяется для увеличения износостойкости, твёрдости и прочности деталей, воспринимающих ударную нагрузку (зубчатые колеса, валы и др.). Она включает нагрев поверхностного слоя изделия до температуры закалки и охлаждение для получения мартенситной структуры в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины.
Различают следующие виды нагрева при поверхностной закалке: нагрев пламенем газовой горелки и нагрев токами высокой частоты.
29. Отпуск. Виды отпуска.
Отпуск - это нагрев закаленной стали до температуры ниже критической А с1 , выдержка при этой температуре и последующее охлаждение (обычно на воздухе).
Различают следующие виды отпуска: низкий, средний, высокий.
Низкий отпуск - нагрев закаленной стали до 250°С для снижения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости. Его применяют для инструментов и изделий, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью. Получаемая структура – мартенсит отпуска.
Средний отпуск - нагрев закаленной стали до 350...450°С, который приводит к понижению твердости и повышению вязкости стали по сравнению с низким отпуском. Получаемая микроструктура троостит. Его применяют для пружин, штампов, рессор, ударного инструмента и др.
Высокий отпуск - нагрев закаленной стали до 450...650°С, который способствует получению наибольшей вязкости при сохранении достаточно высокой прочности. Твердость закаленной стали сильно снижается и образуется структура сорбит. Закалку деталей машин на мартенсит с последующим высоким отпуском на сорбит называют улучшением. Сорбит отпуска с зернистой формой цементита имеет более высокие показатели прочности и вязкости, чем сорбит закалки с пластинчатой формой цементита.
Обработка холодом - заключается в обработке закаленных изделий холодом при температурах порядка - 80°С и ниже. Обработка холодом основана на том, что остаточный аустенит, находящийся в структуре закаленной стали при низких температурах, распадается в результате возникновения внутренних напряжений. Данный метод повышает твердость режущего инструмента, стабилизирует размеры измерительных инструментов и др. В промышленности применяют специальные установки, в которых охладителями служат жидкий кислород (-183 °С), жидкий азот (-195 °С), смесь из твердой углекислоты (сухой лед) с денатурированным спиртом (-78,5 °С).
Практическая область применения ножей предусматривает их соответствие определенным качественным характеристикам, без которых такое изделие превратится в памятный трофей, висящий на стене в гостиной. Наибольшее значение для комфортного и длительного пользования имеет качество и свойства клинка ножа . Поскольку его прямой задачей является нарезание, то он должен соответствовать следующим показателям:
- твердость клинка. Это одно из основных свойств, которое представляет собой способность лезвия ножа к сопротивлению проникновения другого металла. На практике, изделия высокой твердости хорошо держат заточку, не ломаются от силового бокового давления, не деформируются. Измерить данный показатель можно, воспользовавшись методом Роквелла, единицы измерения для которого – HRC. Идеальные показатели для ножей – от 52 до 55 HRC. Следует учесть, что чем выше твердость, тем металл становится более хрупким;
- прочность. От нее зависит сохранение вида и формы изделия после различных деформаций. Традиционно проверяется тестом на изгиб (металл хорошей прочности должен не ломаться при изгибе в 40°);
- пластичность. Свойство, благодаря которому металл приобретает и сохраняет свою новую форму после деформаций. Понятие обратно пропорциональное твердости: чем больше твердость, тем меньше пластичность;
- износостойкость – способность клинка оказывать сопротивление износу в процессе эксплуатации.
При изготовлении ножа, эти характеристики стают основной целью, которую исполнители стараются довести до предельно идеального состояния. В частности, твердость и прочность клинка закладывается непосредственно при формировании изделия, путем закалки стали с ее последующим отпуском. В домашних условиях придется приложить для этого определенные усилия, но результат может быть не хуже, чем при заводском производстве. Успех предприятия, особенности технологической работы будут зависеть не только от правильно выполненных манипуляций с металлом, но и от качества и марки самой стали.
Выбор стали для закалки ножа
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и различными примесями. В зависимости от содержания последних компонентов, выделяют такие виды этого металла:
- углеродистая;
- легированная.
Углеродистая сталь содержит не более 2,14 % углерода. Чем его меньше, тем больше пластичность клинка, чем больше, тем тверже и прочнее будет изделие. Такое лезвие хорошо режет, но будет плохо держать заточку, быстрее изнашиваться. Однако не составит труда подобный нож наточить. Металл подвержен коррозии. В качестве плюса можно отметить хорошую способность к сварке. При этом малоуглеродистая сталь не подлежит закалке.
Особенностью данной стали, является низкая красностойкость, которая равна 250°С. При нагревании до более высоких температур (что и происходит во время закалки) она теряет свои свойства, становится хрупкой. Именно поэтому, приступив к закалке будущего ножа, следует учитывать, из чего он выполнен и, исходя из этого, выбирать оптимальный режим температур для последующей работы. Для тех, кто хочет сделать нож своими руками, эта сталь станет идеальным вариантом, ведь с ней легко работать.
При закалке углеродистой стали, следует соблюдать определенный температурный режим, дабы металл не покоробился и не потрескался. Для низкого содержания углерода идеально подойдет температура от 727 до 950°С; для высокого (до 2.0 % содержания углерода) – от 680 до 850°С.
Для изготовления ножей в домашних условиях наиболее часто применяется сталь следующих марок:
- от У7 до У16 (подвержены глубокой коррозии, лезвие таких марок стали будет острым и твердым);
- 65Г - идеальный вариант для ножей, предназначенных для рубки, ведь обладает ударной вязкостью. Такое лезвие будет плохо держать заточку и быстро ржаветь;
- О-1 - весьма популярна у знатоков своего дела, что обусловлено приемлемой стоимостью, легкостью в закаливании. Поскольку это высокоуглеродистая сталь, то она еще и очень твердая (до 60 HRC), износостойкая, но ей также страшна коррозия;
- M-2 - ее твердость достигает 66 HRC. Лезвие долго держит заточку, легко ржавеет. Имеет большую, по сравнению с другими, красностойкость;
- 1095 - часто используется для изготовления ножей. Из своей серии именно в этой марке содержится наибольшее количество углерода, благодаря чему такое лезвие будет хорошо точиться, неплохо держать заточку, сохраняя при этом приличную твердость.
Особенности закаливания легированной стали
Легированная сталь помимо углерода содержит еще ряд элементов (до 50% от всего сплава), таких как:
- хром (его наличие наделяет изделие устойчивостью к коррозии, свыше 13% его содержания превращает металл в «нержавеющий»);
- никель (присутствует для увеличения прочности);
- молибден - также увеличивает прочность стали, особенно если ее подвергать термическим нагрузкам. Повышает сопротивление изделия агрессивным средам, коррозии, предает ударной вязкости;
- ванадий улучшает режущие свойства лезвия, его износостойкость. Незаменимый компонент для тех деталей, которые нужно сделать очень острыми, ведь благодаря ему структура металла после закалки становится мелкозернистой.
Эти, а также ряд других элементов, находятся в сплавах в разных количествах и сочетаниях. Общими характеристиками для всех легированных металлов является их антикоррозионность, большая красностойкость (металл выдерживает температуру в 300°С). Плохо подлежит точению, лезвие не отличается остротой. При доведении до высоких температур такая сталь не коробится.
Проведение процедуры закалывания легированной стали, имеет ряд особенностей по сравнению с углеродистой. Они напрямую зависят от химического состава сплава и, как следствие, от его характеристик.
Прежде всего, такую сталь следует закаливать при более высоких температурах – от 850 до 1150°С. Поскольку она хуже проводит тепло, то для нагревания и последующего охлаждения ей понадобится больше времени (при быстром нагреве металл может просто треснуть от малейшего прикосновения). Длительное нагревание обусловлено не только необходимостью полностью прогреть изделие, но и дать возможность раствориться легированным соединениям сплава, что положительно повлияет на механические свойства клинка. Меньшая скорость при охлаждении обеспечивается закаливанием в масле, а не в воде, как у углеродистых изделий.
Среди марок наиболее часто используют:
- 420. Типичная «нержавейка». Она привлекательна благодаря своей цене в сочетании с неплохой твердостью. Быстро тупится, однако легка в обработке;
- 440А. Твердость этой стали достигает 56 HRC. Отличное сопротивление коррозии, хорошо подвергается закалке;
- ATS-34. Отличается острым лезвием, которое долго держит заточку. При этом твердость такого клинка – 60 HRC;
- CPM S30V. Превышает все остальные образцы по износостойкости в десятки раз.
Выбрав качественную сталь, дело остается за малым, но не менее важным – правильно осуществить термообработку металла .
Приступая к изготовлению ножа в домашних условиях, следует знать основные моменты и правила того, как закалить сталь для ножа , соблюдая которые удастся достичь максимального результата.
Процедура закаливания – обязательный этап при изготовлении изделия. Приступать к нему следует после того, как клинку задали нужную форму в процессе отжига. Эта манипуляция призвана снизить твердость детали для того, чтобы можно было следовать наброску будущего лезвия. Однако нож должен быть не только красивым, но и твердым, прочным, если им предполагается пользоваться. Вот здесь и приходит на помощь закалка металла для ножа.
Данная процедура начинается с доведения нужных образцов до необходимой температуры. Как уже было сказано, температура зависит от вида и марки стали, но в среднем можно назвать цифру в 700°С. Прогревание следует делать равномерно по всей длине изделия. Неравномерное прогревание, наравне с резким охлаждением, может спровоцировать различные дефекты, вызвать коробление стали. Узнать, прогрелась ли поверхность до нужной температуры, и можно ли ее вынимать для выполнения следующего этапа, подскажет цвет стали.
Вишнево-красный и алый цвет металла скажут о приобретении температуры, значением от 730 до 800°С. Приближение к светлым оттенкам желтого говорит о том, что градус «зашкалил» за отметку в 1100°С. При белом цвете произошел явный перекал, так как он показывает значение выше 1300°С.
Если деталь перекалить, то она будет безнадежно испорчена (приобретет необратимую хрупкость и ломкость, может просто рассыпаться) и придется начинать все с начала. Если недокалить сталь, то изделие окажется мягким, будет легко гнуться, но в этом случае, если правильно повторить процедуру, все можно исправить. Такая закалка увеличит твердость детали в 3 – 4 раза.
После того, как металлический клинок был закален, он становится очень твердым, но в то же время хрупким. Это для ножа ситуация недопустимая. Поэтому и существует следующий этап, направленный на возвращение клинку прочности (которую многие называют приоритетным качеством в ножах) – отпуск.
Он представляет собой повторное нагревание металла с последующим медленным остыванием. Это может быть как естественный процесс (остывание на воздухе), так и окунание в воду, в закалочные масла (это зависит от вида, марки, формы стали). В некоторых случаях используют технологию попеременного окунания в разные среды: и воды, и масла. При этом чистая вода не подойдет (может спровоцировать трещины), следует добавить в нее соль, к примеру. Эта манипуляция вернет детали не только прочность, но и вязкость, снимет внутреннее напряжение в сплаве.
Для отпуска изделие нужно вновь закалить , но теперь уже не до критической температуры, а до той, которая подходит для конкретного изделия. Отпуск бывает 3 видов:
- низкотемпературный – нагрев до 250°С, что придаст детали хорошую износостойкость, однако сделает его непригодным для сильных силовых нагрузок. По сути, идеальный вариант для клинка ножа;
- среднетемпературный – температура колеблется от 350 до 500°С. Это вариант для штампов, пружин;
- высокотемпературный – от 500 до 680°С. Так нагревают детали, которые подвергаются ударным нагрузкам (валы).
Температуру вновь покажет само изделие за счет цвета побежалости (для ножа оптимально – светло-желтый). Это происходит из-за формирования окисной пленки, которую нужно счищать. После очистки от продуктов закаливания можно производить сам отпуск. В жидкости это займет пару секунд. На воздухе – пару часов.
Секреты домашней закалки стали
При самостоятельном проведении подобных манипуляций придется, прежде всего, позаботиться об источнике нагревания для стали. В «домашних» условиях удачным решением может стать:
- муфельная печь. В ней благодаря муфелю материал не соприкасается с продуктами сгорания, температура поддерживается постоянная и равномерная без каких-либо усилий со стороны, вследствие чего ковка будет произведена качественно и точно;
- паяльная лампа. Для обеспечения равномерного прогревания и выдержки придется соорудить подобие трубы, или сделать «шалаш» из кирпичей;
- горн. По типу открытого горна можно вырыть небольшое углубление в земле, обложить его кирпичами (чтобы держали температуру), развести костер и приступить к работе. В качестве топлива идеально подойдет древесный уголь;
- особые умельцы могут сделать подобие горна и на газовой плите из консервной банки. Удобней всего, если она будет соответствовать размеру клинка.
В качестве исходного материала подойдут сверла, подшипники, напильники, рессоры и даже трос. Такие, уже пользованные изделия, возможно, будут нуждаться в удалении ржавчины. Для этого можно применить болгарку.
При погружении клинка в среду с определенной критической температурой, следует позаботиться о том, чтобы под тепловое воздействие не попала рукоять ножа.
Качество закалки проверяется простым проведением по изделию напильником: недокаленный образец будет липнуть к нему, а кромка лезвия попросту погнется. Если изделие оказалось недокаленным, можно попробовать повторить - сперва отжиг, а потом закаливание, и таким образом спасти деталь.
Есть способ для верного определения момента, когда закалка изделия состоялась: металл в эту минуту начинает дрожать и испускать звуки, похожие на стон или свист.
При отпуске клинок для ножа нужно опускать только вертикально, более плотной частью вниз и слегка покачивать вдоль лезвия. Такой подход позволит минимизировать возможность деформаций.
С этапом отпуска можно справиться без каких-либо дополнительных приспособлений: достаточно обычной духовки, куда поместится деталь на пару часов с постепенным уменьшением температуры.
Помимо традиционного метода, существует масса других теорий по поводу того, как закалить металл для ножа быстро и качественно. Домашним умельцам рекомендуют сперва раскалить деталь до ярко-красного цвета, после чего несколько раз окунуть ее режущей стороной в сургуч в разных местах. Повторять процедуру до тех пор, пока клинок не перестанет входить, как в масло. После этого, сталь нужно будет смазать скипидаром. Собственно, закаленный таким образом металл ножа придется смазывать этой жидкостью после этого постоянно. В качестве эффекта от такой закалки, обещается высокая твердость и прочность изделия без трудностей, сопряженных с обычным методом отпуска (способ подойдет только для тонких клинков).
После окончания закалывания и отпуска клинка, остается только произвести его зачистку, полировку, прикрепить на уже готовую рукоять ножа из дерева, кожи, резины или металла.
Термическая обработка сталей — одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.
Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.
Как закалялась сталь
Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.
К операциям термообработки относятся:
- отжиг;
- нормализация;
- старение;
- закалка стали и отпуск стали (и пр.).
Термообработка стали: закалка отпуск — зависит от следующих факторов:
- температуры нагрева;
- времени (скорости) нагрева;
- продолжительности выдержки при заданной температуре;
- скорости охлаждения.
Закалка
Закалка стали — это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.
При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.
После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.
Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.
Нагрев металла
Все способы закалки стали состоят из:
- нагрева стали;
- последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
- охлаждения с определенной скоростью.
Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.
Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:
- в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
- в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.
Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.
Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.
Защита изделия от окалины и обезуглероживания
Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением , подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.
Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.
Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.
Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.
Охлаждающие жидкости
Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.
Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.
- При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.
Режимы Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.
- Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.
Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.
Недостатком масляной ванны является:
- выделение вредных газов при закалке;
- образование налета на изделии;
- склонность масла к воспламеняемости;
- постепенное ухудшение закаливающей способности.
- Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
- Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
- Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.
В зависимости от требуемой температуры отпуск производится:
- в масляных ваннах;
- в селитровых ваннах;
- в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
- в ваннах с расплавленной щелочью.
Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.
Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.
Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.
Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.