Несложная технология правильного закаливания металла в домашних условиях

Отпуск стали является заключительной стадией термообработки и используется для снижения избыточной твердости, уменьшения хрупкости и устранения внутренних напряжений металла. Чаще всего его применяют к углеродистым сталям, подвергнутым закалке на мартенсит, т. е. нагретым немного выше 727 ºC и охлажденным с высокой скоростью в водной среде.

Обычно стальные изделия отпускают при температурах, которые в несколько раз ниже температуры закалки, сохраняя при этом мартенситовую структуру, обеспечивающую твердость металла. Такой термообработке в основном подвергают режущий инструмент и другие изделия из инструментальных сталей.

Однако, существуют виды отпуска с нагревом, близким к закалочному (на троостит и на перлит), после которых металл приобретает требуемую упругость и у него повышается ударная вязкость. Легирующие добавки замедляют процесс формирования необходимой структуры, поэтому детали из легированных сталей отпускаются при более высоких температурах.

Традиционная технология отпуска — это нагревание изделия до нормативного значения с охлаждением его на открытом воздухе, хотя некоторые виды стальных изделий отпускают в масляных или расплавных средах. Отпускать можно как все изделие, так и его часть. Например, у ножей подвергают отпуску только обушок и рукоятку, сохраняя при этом полную закалку лезвия.

Введение в металловедение

В технологии термической обработки сталей предусматривается ряд способов теплового воздействия. В результате меняется размер зерна. От этого меняется твердость.

В составе стали имеются:

1. Феррит – это основная составляющая. Зерна металла под микроскопом легко увидеть. Они обычно на шлифах представлены в виде белого или светло-серого цвета.
2. Перлит – это эвтектоидное механическое соединение железа и углерода. Для этой составляющей отмечают высокую твердость и прочность.
3. Цементит – предельное соединение железа с углеродом Fe₃C. Одна чистый цементит довольно хрупкое вещество.
4. Графит – одна из форм углерода. В металлах он может быть представлен в виде шарообразных включений. Его присутствие отмечают в дамасских сталях, которые получают методом ковки.
5. Аустенит – одна из форм сплава. Она возникает при температуре 727 ⁰С и выше. Данная составляющая представляет псевдоожиженный металл. Для него характерна высокая пластичность, податливость. Появление аустенита при нагревании определяется по отсутствию магнитных свойств.

Принята классификация соединения – железо-цементит в следующих значениях:

• 0,0…2,18 % углерода – это стали;
• 2,14…6,67 % углерода – чугуны.

У сталей есть и еще различия:

• 0,0…0,8 – низкоуглеродистые стали;
• 0,8…2,14 – углеродистые стали.

Диаграмма Fe – Fe₃C. В зависимости от температуры и концентрации железа и углерода образуются разные виды соединений. Они определяют механические свойства металла:

Высокий отпуск

Высокий отпуск проводится в температурном диапазоне, приближенном к критической точке: от 450 ºC до 650 ºC. После такой термообработки сталь становится пластичной, у нее повышается относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость.
Это связано с тем, что металл приобретает структуру сорбита отпуска и у него на 95 % снижаются внутренние напряжения. Таким способом отпускают изделия, работающие в условиях ударных нагрузок: валы, оси, шатуны, детали прессов и кузнечных молотов.

Если же сталь отпускать при 690 ºC, то в ее структуре будет превалировать зернистый перлит, а сама она будет иметь максимальную пластичность и минимальную прочность. У некоторых ванадиевых, хромовых и вольфрамовых сталей при отпускании с нагреванием до 560 ºC может происходить образование троостита, что ведет к повышению твердости (т. н. вторичная твердость).

Термообработка

Тепловая обработка металла выполняется ради изменения характеристик сплава железа с углеродом.

Отжиг – термообработка, целью которой является снижение прочностных свойств стали. Производится путем нагревания до температуры выше аустенитного состояния с последующим медленным охлаждением (до 6…8 часов) в камере, где производился разогрев.

Нормализация – вариант отжига, производимого для снижения напряжений внутри металла. Обычно нормализацию выполняют, нагревая до 727 ⁰С и выше с медленным охлаждением (до 1…2 часов) при открытых дверках нагревательной печи.

Закалка – метод изменения размеров зерна при резком охлаждении металла из состояния аустенита до значений окружающей среды.

Отпуск – термическая обработка, в результате которой снимаются внутренние напряжения в металле. Различают: низкий, средний и высокий отпуск. Для каждого характерны свои значения температур.

Низкий отпуск

Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу.
При 120÷150 ºC изменения твердости не происходит, а только снижаются остаточные напряжения. Для ее уменьшения изделие необходимо нагреть как минимум до 200 ºC и выдерживать в этих условиях не менее одного часа. В интервале от 200 ºC до 300 ºC начинается формирование мартенсита отпуска и происходит уменьшение твердости с одновременным увеличением вязкости стали.

В некоторых случаях в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение вязкости, которое называют отпускной хрупкостью. Последствия этого явления устраняются дополнительной термообработкой. Кроме инструментальных, низкий отпуск с нагреванием до 250 ºC применяется и для конструкционных сталей, поверхность которых была подвергнута термохимической обработке.

Проверка твердости

Твердость металлов определяют двумя методами:

1. По Бринеллю, в металл вдавливается металлический шарик.
2. По Роквеллу, заключается во вдавливании конуса из прочной пирамиды (алмаз) небольшого размера.

При определении твердости по Бринеллю измеряют размер следа, оставленного шариком при надавливании с усилием, величина которого зависит от предполагаемой твердости и использованного шарика. В испытаниях используют шарики разного диаметра (1,…10 мм). Перерасчет показаний выполняют по формуле:

Где F – сила, прилагаемая на приборе, Н; D – диаметр шарика, используемого при проверке твердости, мм; d – диаметр отпечатка. Измеряется под микроскопом, у которого имеет специальная линейка. Точность измерений до 0,01 мм.

Данный метод рекомендован для определения твердости не более 300…320 единиц. Если требуется определить более твердые предметы, то используют прибор Роквелла. По этой шкале информацию обозначают HRC и числовое значение.

На основании многочисленных исследований установлено, что для ножевой стали показатель HRC 55…63 будет довольно высоким. При проектировании зубчатых передач и изготовлении шестерен также выполняют закалку поверхности зубьев. Конструкторы задают твердость до HRC 52…58. Металлорежущий инструмент (резцы, сверла, долбяки, фрезы) имеют твердость HRC 60…65.

Закалка и отпуск

Закалку производят путем нагревания до температуры выше получения аустенита. Для некоторых сталей рекомендуют некоторый перегрев, который необходим для получения псевдоожиженного состояния по всей массе металла.

Закалить можно углеродистые стали, в которых содержание углерода превышает 0,8 %. При меньшем значении закалка не получается. Быстрое охлаждение не формирует мелкое зерно металла.

Кристаллическая решетка стали до (а) и после (б) закалки. Получено путем исследования шлифов образцов стали

Закалку выполняют в воздухе, воде и масле. В основном проще выполнить закалку в масле, причины в следующем:

• При погружении в масло на поверхности металла не образуются пузырьки кипящей жидкости, которые снижают скорость охлаждения.
• Вокруг металлического предмета образуется циркулирующий поток жидкости, который активизирует процесс конвективной теплоотдачи.
• Масло перед закалкой можно нагреть до температуры 250…350 ⁰С. Тогда осуществляется двухступенчатый процесс закаливания (в масле и воде, один за другим).

Внимание! В некоторых источниках можно прочитать, что закалку выполняют на газовой плите. Подобное могут написать только дилетанты, которые никогда не добивались реального результата.

Температуру определяют с помощью пирометра излучения. Точность измерений до 1…3 ⁰С. Но стоимость подобного прибора довольно высока. Поэтому нагрев до того или иного значения определяют визуально. Для этого пользуются специальными таблицами. Ориентируясь на цвета можно попытаться самостоятельно закалить металл.

Цветовая диаграмма нагрева стали:

Отпуск проводят с целью снятия внутренних напряжений в металле. Деталь нагревают до нужной температуры, а потом дают возможность медленно остывать на воздухе.

Различают несколько видов отпуска:

1. Низкий, применяют для металлорежущего инструмента.
2. Средний, используют для инструментов для обработки древесины.
3. Высокий, находит использование в машиностроении для зубчатых передач или шкивов клиноременных трансмиссий.

Для визуального определения температуры нагрева пользуются пирометром. Можно приблизительно установить температуру нагрева, сопоставляя вид заготовки при нагревании с базовой таблицей. Нагревая сталь, на поверхности наблюдают цвета побежалости, они имеют различный окрас.

Цвета побежалости при нагревании сталей:

Кроме углеродистых сталей термообработку выполняют для легированных сплавов. Наличие в составе металла дополнительных элементов улучшает прочностные характеристики.

В таблице показаны рекомендуемые режимы закалки и отпуска для разных видов сталей. Для ножа используют все виды представленных материалов.

Средний отпуск

Средний отпуск предназначен для термообработки стальных изделий, которые должны сочетать в себе повышенную прочность и упругость с заданными параметрами вязкости. Как правило, таким способом отпускают рессорные и пружинные стали, работающие в режиме переменных динамических нагрузок.

Температурный диапазон в этом случае составляет от 300 ºC до 450 ºC, а твердость снижается до 45÷50 HRC против 60÷63 при низкотемпературном отпуске. После такой термообработки сталь приобретает трооститную структуру. Выдержка при нагреве при среднем отпуске может составлять до нескольких часов, а охлаждение проводится естественным путем на спокойном воздухе.

Пошаговое изготовление простого горна

Для изготовления используется шамотный кирпич. Он отличается от обычного кирпича тем, что в его составе присутствуют шамотная глина, способная выдержать нагрев более 2500 ⁰С.

Отличить шамотный от обыкновенного кирпича несложно. На поверхности имеется выдавленный круг диаметром 55 мм. Сама структура заметно отличается от обжигового изделия.

Чтобы кирпичи сохраняли постоянную форму, можно их скрепить с помощью специального раствора. Но на практике поступают иначе. Из уголка сваривают рамку. Она не позволит изменять форму. По центру устанавливают чугунный цилиндр (используется в двигателях внутреннего сгорания). В данном случае применяли цилиндр от танкового двигателя В-2М.

Чтобы кирпичи не выпадали, приваривают опорные ребра. На них будет распределяться нагрузка от основных фрагментов горна.

Поставив цилиндр на уголки, размечают вырезы. Их придется выполнить с помощью отрезных дисков и УШМ.

После разметки видны линии, оставленные чертилкой.

Выполнены необходимые резы. Остается приварить ребра по месту.

Удерживая детали по месту, выполняют точечную приварку комплектующих. Убедившись, что детали расположились в нужном месте, проводят окончательную сварку каркаса горна.

Перевернув рамку, рассматривают, как будет выглядеть каркас горна в рабочем положении.

Теперь нужно правильно уложить кирпичи. Видно, что на них выполнена выборка. Образуется некоторый уступ, расположенный ниже уровня поверхности кирпича.

Уложив все кирпичи на место, можно видеть образование выемки. Ее назначение – установка колосника.

Колосник установлен в центре горна. Он предназначен для подачи воздуха снизу в зону горения. Только при наличии потока воздуха можно гарантировать постоянство горения топлива. Но для получения температуры выше 1300 ⁰С потребуется принудительная подача воздушного потока от вентилятора.

К цилиндру потребуется приварить трубу, у которой будут:

• вентилятор центробежного типа;
• заглушка для сброса продуктов горения.

Выполняется примерка вентилятора. Для его подвода нужна промежуточная профильная труба. Необходимо ее вварить так, чтобы поток воздуха поступал в зону горения без лишних сопротивлений.

Производится разметка отверстия в цилиндрической трубе.

После первых резов нужно разметить остальные элементы.

Детали готовы для сборки. Остается зафиксировать детали, а потом сварить всю конструкцию поддува.

Получилась конструкция, приваренная к цилиндру. Теперь предстоит провести монтаж вентилятора.

Система принудительной подачи воздуха в горн готова. Пора собрать остальную конструкцию малогабаритного горна.

Еще один вид. Проверяется качество сварных швов.

После покраски горн приобретает профессиональный вид. Он смонтирован на опорах. Высота подбирается по росту мастера, который будет работать на этом горне.

На трубе имеется поворотная заслонка. Она нужна для временного перекрытия доступа к вентилятору. Обычно перекрывают, когда возникает необходимость прочистки колосников.

Снизу имеется крышка. В положении «закрыто» она удерживается противовесом. Чтобы открыть проход для шлака и других продуктов горения, достаточно слегка повернуть противовес. Отверстие откроется. Шлак покинет горн.

Кирпичи занимают свое место. Скоро горн будет готов к работе.

Чтобы ограничить тепловые потери устанавливают экран. Это листовая сталь, которую устанавливают по периметру горна. Спереди смонтирована ручка. Она нужна для подвешивания вспомогательных инструментов, которыми пользуется кузнец при выполнении работы.

Уложив топливо (начинают розжиг с обычных стружек и щепок), разжигают огонь. Постепенно подсыпают уголь. Он является основным топливом для горна.

После включения в работу вентилятора интенсивность горения возрастает. Угли начинают гореть не красным, а белым цветом. Температура пламени возрастает свыше 1000 ⁰С. Теперь на горне можно разогревать детали, чтобы в дальнейшем ковать металл или закаливать заготовки.

Кроме горна кузнецы используют наковальни. Основная работа по формированию нужной формы выполняется на ней. Работают тяжелыми и легкими молотами. Дополнительно используют ручьи, имеющие разную форму.

Как закалить сталь на открытом огне

Как уже говорилось выше, закалить сталь можно и в домашних условиях, используя для нагрева открытый костер. Начинать такой процесс, естественно, следует с разведения костра, в котором должно образоваться много раскаленных углей. Вам также потребуются две емкости. В одну из них надо налить минеральное или синтетическое масло, а в другую – обычную холодную воду.

Для того чтобы извлекать раскаленное железо из костра, вам понадобятся кузнечные клещи, которые можно заменить любым другим инструментом подобного назначения. После того как все подготовительные работы выполнены, а в костре образовалось достаточное количество раскаленных углей, на них можно уложить предметы, которые требуется закалить.

По цвету образовавшихся углей можно судить о температуре их нагрева. Так, более раскаленными являются угли, поверхность которых имеет ярко-белый цвет. Важно следить и за цветом пламени костра, который свидетельствует о температурном режиме в его внутренней части. Лучше всего, если пламя костра будет окрашено в малиновый, а не белый цвет. В последнем случае, свидетельствующем о слишком высокой температуре пламени, есть риск не только перегреть, но даже сжечь металл, который надо закалить.

Цвета каления стали

За цветом нагреваемого металла также необходимо внимательно следить. В частности, нельзя допустить, чтобы на режущих кромках обрабатываемого инструмента появлялись черные пятна. Посинение металла свидетельствует о том, что он сильно размягчился и стал слишком пластичным. Доводить до такого состояния его нельзя.

После того как изделие прокалится до требуемой степени, можно приступать к следующему этапу – охлаждению. В первую очередь, его опускают в емкость с маслом, причем делают это часто (с периодичностью в 3 секунды) и как можно более резко. Постепенно промежутки между этими погружениями увеличивают. Как только раскаленная сталь утратит яркость своего цвета, можно приступать к ее охлаждению в воде.

Цвета побежалости стали

При охлаждении водой металла, на поверхности которого остались капельки раскаленного масла, следует соблюдать осторожность, так как они могут вспыхнуть. После каждого погружения воду необходимо взбалтывать, чтобы она постоянно оставалась прохладной. Получить более наглядное представление о правилах выполнения такой операции поможет обучающее видео.

Есть определенные тонкости при охлаждении закаливаемых сверл. Так, их нельзя опускать в емкость с охлаждающей жидкостью плашмя. Если поступить таким образом, то нижняя часть сверла или любого другого металлического предмета, имеющего вытянутую форму, резко охладится первой, что приведет к ее сжатию. Именно поэтому погружать такие изделия в охлаждающую жидкость необходимо со стороны более широкого конца.

Для термической обработки особых сортов стали и плавки цветных металлов возможностей открытого костра не хватит, так как он не сможет обеспечить нагрев металла до температуры 700–9000. Для таких целей необходимо использовать специальные печи, которые могут быть муфельными или электрическими. Если изготовить в домашних условиях электрическую печь достаточно сложно и затратно, то с нагревательным оборудованием муфельного типа это вполне осуществимо.

Как выполнить закалку?

Когда есть горн, то закалку можно выполнить довольно просто:

1. Сначала разводят огонь. Для розжига используют древесину небольшого формата (щепки, мелкие ветки, стружку от деревообработки и бумагу).
2. Готовят емкости, в которых будут производить закалку. Минеральное масло (отработка от двигателей внутреннего сгорания) является лучшим охлаждением для деталей. Ёмкость должна позволять загрузить деталь полностью. Синтетические и полусинтетические масла использовать можно, но следует иметь в виду, что некоторые могут закипать. Скорость охлаждения будет снижаться. Поэтому использование подобного масла применяют с осторожностью.
3. Емкость для воды нужна, чтобы промывать детали после закалки.
4. Потребуется уголь. Используют бурые и черные угли. На практике часто применяют древесный уголь, полученный после обработки березы.
5. Чтобы брать заготовку и перемещать ее внутри кузни, понадобятся клещи. У опытных кузнецов имеются несколько типов клещей.
6. После получения стабильного огня на колосниках можно подсыпать уголь. Сначала он разгорается медленно. При включении подачи воздуха начинается интенсивный разогрев. Угольки меняют окраску на белый цвет.
7. Пора закладывать деталь, которую хотят закалить. Ее кладут в огонь. Наблюдают за разогревом.
8. Нужен магнит. Он покажет, наступил нужный нагрев или нет. Аустенит не магнитится.
9. При возникновении свечения темно-вишневого цвета можно рассчитывать на нагрев до близких значений температуры.
10. Вынимают заготовку и пробуют, намагничивается она или нет. Если нет, то температура достигнута.
11. Нужен прогрев не менее 15…20 минут. Теплопроводность разогретого металла низкая, поэтому внутри массивных предметов может возникнуть не полный прогрев. В этом случае при закалке наблюдают изгибы.
12. Вынув деталь из огня, ее опускают в масло в несколько этапов. Опускают и поднимают ритмичными движениями. Так добиваются высокой скорости охлаждения. Поднимая и опуская, перемешивают охлаждающую жидкость в процессе закалки. Может возникнуть пламя. Оно быстро погаснет.
13. Остается промыть деталь.
14. Проверить произошло закаливание или нет можно напильником. Если напильник «не берет», значит, произошло закаливание.

Испытывают качество закаливания на стекле. Если удается оставить след на стекле закаленной деталью, то получена твердость HRC более 55 единиц.

Видео: как закалить металл своими руками?

Отпускная хрупкость

Практически для всех сталей действует стандартная зависимость: чем выше температура нагрева при отпуске, тем больше пластичность и вязкость отпущенного изделия. Однако у некоторых марок при повышении температуры наблюдается снижение этих физических характеристик и увеличение жесткости и хрупкости.
Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода (см. рис. ниже).

Первая характерна для углеродистых сталей, и избавиться от нее можно, снова нагрев деталь немного выше 400 ºC. Повторно она, как правило, не проявляется, но при этом у металла наблюдается некоторое снижение твердости. Отпускная хрупкость II рода может возникать у легированных сталей, которые после нагрева до указанного интервала подвергаются медленному охлаждению.

Для нейтрализации этой проблемы обычно повышают скорость охлаждения, при этом повторный нагрев изделия может снова вызвать возникновение такой хрупкости. Еще один способ, позволяющий избавиться от этого явления, — введение в состав сталей небольших количеств молибдена или вольфрама.

Для отпуска крупногабаритных деталей он предпочтительнее, т. к. большая скорость охлаждения может вызвать их деформацию и возникновение чрезмерных внутренних напряжений.