Закалка стали: температура, виды и способы. Как можно закалить металл в домашних условиях

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.

Закалка

термическая обработка материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при его медленном охлаждении. З. возможна только для тех веществ, равновесное состояние которых при высокой температуре отличается от равновесного состояния при низкой температуре (например, кристаллической структурой). З. эффективна только в том случае, если реально достижимая скорость охлаждения достаточна для того, чтобы не успели развиться процессы, подавление которых является целью З. Структуры, возникающие в результате З., лишь относительно устойчивы, при нагреве они переходят в более устойчивое состояние. З. могут подвергаться в естественных условиях или в определённом технологическом процессе многие вещества, (металлы, их сплавы, стекло и пр.).

Закалка стали. Наиболее широкая группа материалов, подвергаемых З., - стали. В соответствии с диаграммой состояния (См. Диаграмма состояния) железо-углеродистых сплавов (рис. 1 ) термодинамически устойчивым состоянием стали при температурах, расположенных выше линии GSE диаграммы состояния, является Аустенит - раствор углерода в γ-железе (см. Железоуглеродистые сплавы); ниже линии PSK - смесь феррита (раствора углерода в α-железе) и цементита (карбида (См. Карбиды) железа Fe 3 C). При медленном охлаждении от температур, расположенных выше линии PSK, аустенит в соответствии с диаграммой состояния должен распадаться на феррит и цементит. Скорость этого превращения меняется с температурой и при достаточно низкой температуре становится настолько малой, что аустенит практически не распадается. При дальнейшем снижении температуры аустенит превращается в Мартенсит , появление которого в структуре стали приводит к резкому увеличению твёрдости, прочности, магнитного насыщения и к снижению пластичности. Цель З. стали - получение полностью мартенситной структуры (без продуктов распада аустенита), т. е. подавление при быстром охлаждении распада аустенита и сохранение его вплоть до температур, при которых начинается мартенситное превращение. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для предотвращения распада аустенита, носит название критической скорости З. стали.

В практике термической обработки (См. Термическая обработка) металлов для получения металлов, в частности сталей, с определенными свойствами применяют различные виды З. В зависимости от условий нагрева различают З. полную и неполную. При полной З. быстрое охлаждение стали производят после нагрева её до температур, лежащих выше линии GSE. При этом сталь полностью переводится в аустенитное состояние. При неполной З. (главным образом инструментальных сталей) металл нагревают до температур выше линии PSK ; после охлаждения в структуре могут сохраняться нерастворившиеся при нагреве т. н. избыточные фазы (Феррит или Цементит и более сложные карбиды). В зависимости от условий охлаждения различают З. изотермическую, ступенчатую и др. При изотермической З. сталь нагревают до температур выше линии GSE (полная З.) или выше PSK (неполная З.), затем быстро охлаждают до температур ниже линии PSK и дают т. н. изотермическую выдержку, при которой происходит превращение аустенита в др. структуры (перлит, бейнит). В этом случае свойства окончательных продуктов определяются температурой изотермической выдержки: твёрдость и прочность материала возрастают по мере снижения температуры. При ступенчатой З. охлаждение с большой скоростью производят до температуры, несколько превышающей температуру мартенситного превращения, и дают выдержку, необходимую для выравнивания этой температуры по всей толщине изделия (ступень), а затем охлаждение ведут медленно до образования в структуре мартенсита. Внешние факторы, главным образом закалочная среда (вода, масло, расплавленная соль) и давление, также определяют результаты З.

Закалённая сталь отличается большой хрупкостью, поэтому после З. её обычно подвергают Отпуск у. При одной и той же твёрдости сталь, подвергнутая З. с последующим отпуском, более пластична (следовательно, более работоспособна), чем сталь, подвергнутая медленному охлаждению, при котором происходит распад аустенита на феррит и цементит. Это определяет чрезвычайно широкое использование З. стали в технике: применение её не только для получения стали с высокой твёрдостью, но и для получения (после соответствующего отпуска) стали со средней и низкой твёрдостью, но обладающей хорошими конструкционными свойствами.

Закалка стареющих сплавов. Если равновесная концентрация твёрдого раствора существенно изменяется при изменении температуры, то при охлаждении происходит выделение из него избытка одного из компонентов (см. Старение металлов). Этот процесс является диффузионным и может быть подавлен З. (рис. 2 ). Цель З. в этом случае - фиксирование пересыщенного твёрдого раствора при низкой, например комнатной, температуре. Старение сплава может происходить затем при комнатной или более высокой температуре. Сплав со структурой, возникающей при З. и старении, обладает высокими прочностными свойствами, большой коэрцитивной силой (магнитные сплавы). Т. н. дисперсионно-твердеющие сплавы, подвергающиеся З. с последующим старением, находят широкое применение, например дуралюмин - как конструкционный материал, нимоник - жаропрочный; альнико - для изготовления постоянных магнитов и др.

Закалка упорядочивающихся сплавов. Упорядочение сплавов приводит к изменению их физических и механических свойств, например к снижению пластичности. Если упорядочение нежелательно, то сплавы подвергают З., которая приводит к фиксации неупорядоченного состояния при низкой температуре. Это возможно, если скорость процессов, приводящих к упорядочению, не слишком велика.

Закалка чистых металлов и однофазных сплавов. Для изучения вакансий и их влияний на механические и физические свойства веществ применяют З. чистых металлов и однофазных сплавов. Цель З. в этом случае - фиксирование при низкой температуре концентрации вакансий, равновесной при высокой температуре. Последующий нагрев материалов до температур, при которых вакансии становятся подвижными, приводит к повышению сопротивления пластическому деформированию («закалочное упрочнение») и снижению внутреннего трения (См. Внутреннее трение). Изучая зависимость равновесной концентрации вакансий от температуры и скорость удаления зафиксированных при З. избыточных вакансий, можно найти энергию образования и энергию активации миграции вакансий, сумма которых (энергий) определяет энергию активации самодиффузии.

Закалка жидкости. З. может задерживать кристаллизацию жидкостей. Результат З. в этом случае - переход жидкости в стекловидное состояние. Скорость кристаллизации металлов слишком велика, поэтому получить их в стекловидном аморфном состоянии обычно не удаётся.

Закалка из жидкого состояния. Для некоторых систем, имеющих определенный вид диаграммы состояния, возможна З. из жидкого состояния. Такая З. позволяет устранить ликвацию (См. Ликвация), возникающую при кристаллизации с обычной скоростью охлаждения; получить пересыщенный твёрдый раствор, содержащий значительно большее количество второго компонента, чем это возможно по диаграмме состояния; получить метастабильные фазы, не возникающие при медленной кристаллизации и не фигурирующие на диаграмме состояния.

Лит.: Харди Г. К., Хилл Т. Дж., Процесс выделения, в сборнике: Успехи физики металлов, пер. с англ., т. 2, М., 1958; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Физическое металловедение, под ред. Р. Кана, пер. с англ., в. 1-3. М., 1967.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Антонимы :

Смотреть что такое "Закалка" в других словарях:

Закаливание, закал, закваска, закаленность, выносливость, стойкость Словарь русских синонимов. закалка см. выносливость Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Алекса … Словарь синонимов

ЗАКАЛКА, закалки, мн. нет, жен. (разг.). То же, что закал в 1 знач. Закалка стали. Кинжал был сделан из стали особой закалки. Он получил в детстве хорошую закалку. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

- (Hardening) один из видов термической обработки стали и некоторых сплавов (напр. латуни) путем нагрева их выше критической точки с последующим быстрым охлаждением. З. большинства сталей сильно увеличивает их твердость и хрупкость, у иных (напр.… … Морской словарь

Термическая обработка материалов, заключающаяся в нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов, происходящих при медленном охлаждении … Большой Энциклопедический словарь

ЗАКАЛКА, и, жен. 1. см. закалить, ся. 2. Физическая или нравственная стойкость, выносливость. Зимнее купание для закалки. Нравственная з. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Термическая обработка стали, увеличивающая ее твердость путем нагрева и быстрого охлаждения в воде, масле, расплавленном свинце, соляном растворе или другой жидкости, отчего она становится твердой и хрупкой. З. подвергается сталь с содержанием… … Технический железнодорожный словарь

закалка - Термическая обработка некоторых материалов, заключающаяся в их нагреве и последующем быстром охлаждении с целью фиксации высокотемпературной структуры материала при нормальной температуре, что приводит к увеличению твердости [Терминологический… … Справочник технического переводчика

ЗАКАЛКА - один из видов (см.) изделий из стали и некоторых сплавов (напр. латуни, бронзы и др.) путём нагрева и затем быстрого охлаждения с целью фиксации высокотемпературного состояния материала или предотвращения (подавления) нежелательных процессов,… … Большая политехническая энциклопедия

Вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило,… … Википедия

Quenching Закалка. Быстрое охлаждение металлов (часто сталей) от достаточно высокой температуры. Обычно производится в воде, масле, растворах полимеров или солей иногда на воздухе. См. также Brine quenching Закалка в солевом растворе, Caustic… … Словарь металлургических терминов

Закалка - термическая обработка изделий (полуфабрикатов) из металлов или сплавов нагрев их выше температуры фазовых превращений, выдержка и последующее быстрое охлаждение для получения неравновесной структуры. Температуру… … Энциклопедический словарь по металлургии

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные характеристики металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала , либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Важно понимать:

После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

полная;
неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусо в. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки .

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания - достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 - Ас2 . При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 - неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

вода;
раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали - закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят - «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина . Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания - чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения .

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов , после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов) . После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита . На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

сталь почти не поддается короблению;
не появляются трещины;
вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск . После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.

Р исунок №3 - Т аблица побежалости .

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Дефекты при закаливании стали

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.

Процесс закалки стали позволяет повысить твердость изделия примерно в 3-4 раза. Многие производители проводят подобный процесс на момент производства продукции, однако в некоторых случаях ее следует повторить, так как твердость стали или другого сплава имеет малый уровень. Именно поэтому многие задаются вопросом, как закалить металл в домашних условиях?

Методика

Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно. Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение. Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

Особенности процесса

Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

Нагрев должен проходить равномерно. Только в этом случае структура материала однородна.
Нагрев стали должен проходить без образования черных или синих пятен, что свидетельствует о сильном перегреве поверхности.
Образец нельзя нагревать до крайнего состояния, так как изменения структуры будут необратимыми.
На правильность проведения нагрева стали указывает ярко-красный цвет металла.
Охлаждение также должно быть проведено равномерно, для чего используется водяная ванна.

Оборудование и особенности проводимого процесса

Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

электропечь;
паяльная лампа;
термопечь;
большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

Повышение твердости на открытом огне

В быту зачастую закалку проводят на открытом огне. Этот метод подходит исключительно для разового проведения процесса повышения твердости поверхности.

Всю работу можно разделить на несколько этапов:

для начала следует провести разведение костра;
на момент разведения костра подготавливаются две большие тары, которые будут соответствовать размеру детали;
для того чтобы костер давал больше жара нужно обеспечить большое количество углей. они дают много жара на протяжении длительного времени;
в одной емкости должна содержаться вода, в другой – моторное масло;
следует использовать специальные инструменты, при помощи которых будет удерживаться обрабатываемая раскаленная деталь. на видео часто можно встретить кузнечные клещи, которые наиболее эффективны;
после подготовки необходимых инструментов следует положить предмет в самый центр пламени. при этом можно деталь зарыть в самую глубь углей, что обеспечит нагрев металла до плавкого состояния;
угольки, которые имеют ярко белый цвет – раскалены больше других. за процессом плавки металла нужно следить пристально. пламя должно быть малиновым, но не белым. если огонь белый, то есть вероятность перегрева металла. в этом случае эксплуатационные качества значительно ухудшаются, а срок службы уменьшается;
правильный цвет, равномерный по всей поверхности, определяет равномерность нагрева металла;
если происходит потемнение до синего цвета, то это говорит о сильном размягчении металла, то есть он становится излишне пластичным. этого нельзя допускать, так как значительно нарушается структура;
при полном разогреве металла его следует убрать с очага высокой температуры;
после этого следует раскаленный металл поместить в тару с маслом с частотой 3 секунды;
завершающим этапом можно назвать погружение детали в воду. При этом периодически проводится взбалтывание воды. Это связано с тем, что вода быстро нагревается вокруг изделия.

При выполнении работы следует уделять внимание осторожности, так как раскаленное масло может нанести вред коже. На видео можно обратить внимание на то, какого цвета должна быть поверхность при достижении нужной степени пластичности. Но для закалки цветных металлов зачастую нужно оказывать воздействие температуры в промежутке ль 700 до 900 градусов Цельсия. На открытом огне провести нагрев цветных сплавов практически не возможно, так как достигнуть подобной температуры без специального оборудования нельзя. Примером можно назвать использование электропечи, которая способна нагревать поверхность до 800 градусов Цельсия.

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.