Поверхностная закалка: способы и технологии. Закалка металлов

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка деталей делается для достижения лучших характеристик наружного слоя, а в сердцевине металл остается вязким и пластичным. Таким образом удается изменить физико-механические свойства металла.

Чтобы уменьшить хрупкость и остаточные напряжения, металл затем подвергают отпуску, после чего его твердость несколько снижается, а свойства становятся более стабильными.

Температура закалки поверхности стали составляет 820-900 0С. Ее можно различать по цвету.

Для получения необходимой глубины термической обработки после быстрого разогрева поверхность детали охлаждают воздухом или водой.

Газопламенная закалка

Температурные режимы, связанные с нагревом и охлаждением, могут быть непрерывными или цикличными. Поверхностная закалка выполняется четырьмя способами.

1. Нагрев с охлаждением участка детали: закалка зубьев колес, концов рельсов, клапанов и др.
2. Закалка небольших вращающихся тел с малой шириной обрабатываемого участка: цапфы осей и валов.
3. Непрерывно-последовательный способ: перемещение по поверхности пламени, а за ним — охладителя. Производится последовательный нагрев и охлаждение водяными струями узких участков. Аналогично закаливаются поверхности деталей большого диаметра с медленным их вращением относительно неподвижных горелок и форсунок. На краях полос остаются зоны отпуска при вторичном нагреве от соседних участков.
4. Комбинированный способ: перемещение вдоль образующей струй пламени, а за ними — охлаждающей среды при вращении цилиндрической детали. Технология применяется для закалки длинномерных изделий. Способ обеспечивает получение однородного твердого слоя на поверхности детали.

Закалка ножа в домашних условиях: видео, инструкция, советы

Вопрос о том, как закалить нож самостоятельно в домашних условиях, не случайно является столь актуальным, ведь именно данная технологическая операция позволяет придать лезвию режущего инструмента требуемую прочность и твердость. Если пренебречь данной процедурой или выполнить ее неправильно, режущая часть вашего ножа будет быстро тупиться, что сделает его использование малоэффективным.
Долговечность и режущая способность ножа определяются твердостью клинка

Даже в том случае, если самодельный нож выполнен из твердого металлического изделия (напильника, рессоры, клапана и др.), ему все равно требуется закалка, так как в процессе изготовления лезвие подвергалось интенсивной механической обработке и, соответственно, нагреву.

Проверить, насколько правильно выполнена закалка самодельного ножа в домашних условиях, достаточно просто. Для этого необходимо зажать его лезвие в тисках и начать сгибать по вертикали. Если нож сломается при угле сгиба больше 45°, значит, закалка выполнена правильно.

Тем, кто не любит вдаваться в тонкости и детали процесса, можно сразу посмотреть видео с подробным описанием и демонстрацией одного из способов закалки ножа в домашних условиях. Если же вы хотите ознакомиться с технологией более подробно, рекомендуем прочитать всю статью.

Температурный режим

Может показаться, что в закалке ножа нет ничего сложного, но, как и в любой другой технологической операции, при ее выполнении надо учитывать ряд нюансов. Первое, что следует контролировать, чтобы правильно закалить клинок, – это равномерность и постепенность нагрева.

Если пренебречь этим требованием и выполнять нагрев ножа слишком быстро, это приведет к тому, что в структуре металла будут формироваться слишком крупные зерна, что сделает изделие хрупким.

Для стальных сплавов, относящихся к различным категориям, используются разные температурные режимы выполнения закалочных операций:

• стали, относящиеся к группе низкоуглеродистых сплавов, – 727–950°;
• высокоуглеродистые стальные сплавы – 680–850°;
• стали, содержащие в своем составе легирующие элементы, – 850–1150°.

Режимы обработки коррозионно стойких жаропрочных сталей

В домашних условиях не всегда можно воспользоваться таким прибором, как пирометр, при помощи которого определяют температуру нагрева металла.

Между тем определить степень нагрева изделия из стали можно, если воспользоваться обычным магнитом.

Суть этой несложной методики заключается в том, что у каждого металла есть так называемая точка Кюри, при которой из ферромагнитного он превращается в парамагнитный материал, то есть перестает притягиваться к магниту.

Следовательно, если лезвие разогретого ножа перестало притягиваться к магниту, температура его нагрева достигла точки Кюри (посмотреть ее значение для различных металлов можно в специальных таблицах).

Особенности технологии

В домашних условиях, если правильно подойти к делу, можно качественно закалить любой нож.

Это может быть охотничий или складной нож, штык-нож или изделие в виде крюка, клинок, выполненный из напильника или подшипника, нож-бабочка и др.

Несколько сложнее закалить в домашних условиях изделия, изготовленные из нержавеющих сталей, но и такая задача решаема, если внимательно изучить технологию процесса и подобрать соответствующее нагревательное оборудование.

В качестве охлаждающей среды при выполнении закалки как в производственных, так и в домашних условиях используют различные материалы. Так, наиболее распространенные охлаждающие среды – вода и масло – обеспечивают следующие скорости охлаждения нагретого стального изделия:

• масло при комнатной температуре – 150°/с;
• масло, нагретое до температуры 200°, – 300°/с;
• вода, температура которой составляет чуть выше 20°, – 450°/с;
• ледяная вода – 600°/с.

В некоторых случаях закалку выполняют с охлаждением изделия в промежуточной среде, в качестве которой может использоваться расплавленный свинец. Такую методику, в частности, используют, закаливая ножи, которые изготовлены из напильников.

Отжиг ножа на открытом огне требует пристального внимания

Самой главной проблемой, с которой вы можете столкнуться, пытаясь в домашних условиях закалить нож, является перекаливание металла, что приводит к значительному увеличению его хрупкости. Надо также очень внимательно следить за равномерностью нагрева закаливаемого ножа, чтобы не столкнуться с образованием поперечных трещин на его лезвии.

Существует несложное правило, которого следует придерживаться, чтобы не столкнуться с такой проблемой: та часть лезвия, которая не будет затачиваться, нагревается трижды до фиолетового цвета, что соответствует температуре 285°, а режущая часть нагревается только один раз до желтого цвета, после чего степень ее нагрева проверяют при помощи магнита. Более подробно познакомиться с такой методикой можно, просмотрев соответствующее видео.

Цвета каления и побежалости углеродистых и малолегированных сталей

На нержавеющих сталях цвета побежалости появляются в той же последовательности, но при более высоких температурах

Различные охлаждающие среды обеспечивают и разную глубину закаленного слоя (прокаливаемость).

Так, при охлаждении при помощи воды сталь прокаливается со скоростью 1 мм в секунду, а при использовании в качестве охлаждающей среды масла эта скорость уменьшается почти в два раза.

Чтобы закалить обоюдоострый нож, получив твердые режущие кромки и упругую сердцевину, надо сделать следующее: нагретый до требуемой температуры клинок сначала опускают на две секунды в воду, а затем помещают в масло.

Еще одной технологией, позволяющей качественно закалить режущую кромку у лезвия со значительной толщиной, является закалка ножа в графите.

Используя такую технологию, подробности которой также легко изучить по видео, можно качественно закалить ножи различных моделей и конфигураций (охотничий, штык-нож, нож-бабочка и др.).

При этом качественно выполнить такую закалку можно и в домашних условиях.

Самодельный нож после закалки в графите

Нередко требуется осуществить зонный отпуск уже закаленного ножа, чтобы сделать его среднюю часть более упругой, сохранив твердость режущих лезвий. В домашних условиях такая технологическая операция выполняется по нижеприведенному алгоритму.

• Средняя часть клинка разогревается при помощи металлического прутка диаметром 10 мм, раскаленного до максимума.
• После прогрева средней части клинка его опускают в кипяток и выдерживают в нем на протяжении 2 часов.
• После выдержки в кипятке клинок опускают в ледяную воду.

После выполнения всех вышеописанных манипуляций вы получите нож, средняя часть лезвия которого подвергнута низкому отпуску.

Определять температуру отпуска можно по цветам побежалости – радужной пленке, появляющейся при нагреве зачищенной поверхности ножа: от светло-желтого (поз. 1) до голубоватого (поз. 6)

Если вы пробуете закалить свой нож в домашних условиях, следует придерживаться двух правил, которые позволят вам получить качественный результат.

• Объем используемой охлаждающей жидкости должен быть достаточно большим (минимум 20 литров). В противном случае жидкость будет сильно нагреваться, что изменит температурный режим и скорость охлаждения, а это в свою очередь отрицательно повлияет на результат всей технологической операции.
• Чтобы теплоотдача от нагретого ножа была равномерной и его не повело в процессе закалки, им нельзя двигать в охлаждающей среде – надо держать его неподвижно.

Правила качественной закалки

Существует еще несколько несложных правил, которые позволяют сделать закалку ножа в домашних условиях максимально качественной.

1. Прежде чем приступать к поверхностной или глубокой закалке ножа, изготовленного из определенной марки стали, можно подобрать режимы выполнения такой технологической операции, воспользовавшись пластинками, выполненными из такого же материала. Первую пластинку используют, чтобы более точно подобрать требуемую температуру нагрева. Для этого металлическую пластину необходимо нагреть неравномерно: одну часть – до максимальной температуры, вторую – до минимальной. Затем нагретую пластину опускают в воду или масло и после полного остывания зажимают в тисках, ломают и смотрят на излом металла. Качественно закаленный металл, если температурный режим был подобран правильно, должен иметь крупнозернистую структуру.
2. Следующим этапом экспериментов с металлическими пластинками является подбор оптимальной охлаждающей среды. Используя различные охлаждающие среды (вода, масло, жидкий свинец и др.), закалите пластину до такого состояния, чтобы она, будучи зажатой в тисках, ломалась при отклонении в 30°. После этого необходимо выполнить отпуск пластины, также подбирая различные охлаждающие среды и температурные режимы. В результате такой операции вы должны добиться того, чтобы пластина, зажатая в тисках, ломалась при угле ее отклонения в 45°.
3. Чтобы избежать появления на лезвии закаливаемого ножа поверхностных трещин, изделие требуется предварительно отжечь. При выполнении такой технологической операции, для которой желательно использовать муфельную печь с регулятором температуры, надо придерживаться следующих правил: нагрев ножа выполняют как можно дольше, медленно и равномерно.

Следуя таким несложным рекомендациям, вы даже в домашних условиях сможете закалить нож правильно, получив в итоге прочный и долговечный инструмент с отличными режущими свойствами.

Технология газопламенной закалки

Поверхностная закалка производится на станках, где процессы перемещения нагревательно-охлаждающих приспособлений и деталей механизированы. Процесс широко применяется в промышленности. Для него требуются простые устройства. В качестве источника энергии применяется смесь ацетилена с кислородом, природный газ или керосин. Иногда газопламенный нагрев применять более выгодно, чем ТВЧ. Особенно это относится к крупногабаритным изделиям, для которых сложно изготовить индукторы. Способ часто применяют в мелкосерийном производстве, когда к качеству деталей не предъявляются высокие требования. Закалочные горелки инжекторного типа содержат сменные наконечники для регулирования мощности пламени. Мундштуки выполняются в соответствии с профилем обрабатываемых деталей. Их делают с большим количеством сопел или щелевыми. Разбрызгиватели струйного типа подают воду на охлаждение.

Механизмы для перемещений инструментов и деталей применяются специализированные или универсальные. Предприятия часто самостоятельно их изготавливают на базе металлоообрабатывающих станков.

Закалка металлов зависит от состава, а также от размеров и формы изделий.

Закалка ножа — пошаговая инструкция по закалке различных типов металлов (75 фото и видео)

Поверхностная закалка ножа обеспечивает дополнительную прочность режущему основанию. Термическая обработка стальной заготовки значительно улучшает механические и физические свойства этого предмета.

Если пренебрегать данным требованием, то увеличивается риск быстрого стирания металлической пластины. Простым языком, нож будет постоянно тупиться, что скажется на эксплуатационных качествах.

В нашем материале мы поговорим как сделать закалку ножа в домашних условиях. Здесь представлены рекомендации от профессионалов, которые знают все тонкости работы с металлом.

Из какого материала делают ножи?

Для производства ножей используют сплав углерода и железа. При нагревании этих компонентов образуется высокоуглеродистая сталь.

Данный материал способен справиться с резким перепадом температурного режима. Помимо этого, он отличается высокой плотностью и устойчивостью к различным механическим воздействиям.

Изделия из чистой углеродистой стали имеют довольно высокую стоимость. Чтобы сократить расходы материалов и компонентов, многие мастера предпочитают добавлять специальные добавки.

Для этого они используют следующие вещества:

• Молибден;
• Ванадий;
• Цинк;
• Вольфрам;
• Кальций.

Если в составе заготовки отмечают минимальное количество углеродистой стали, то какие изделия получаются эластичными. Они требуют правильной закалки, которая обеспечит им дополнительную прочность.

Изготавливаем камеру для закаливания металла

Перед тем как приступить к обработке металлического основания необходимо подготовить соответствующее оборудование. Особое внимание рекомендуется уделить печи, в которой будет производиться обработка высокой температурой.

Печная камера должна иметь габариты 30см х 20см х10 см. Ее изготавливают из огнеупорной глины и кирпича. Глиняный состав не должен содержать в себе каких-либо примесей.

Конструкция печи представляет собой прямоугольник. Стены и задняя панель выполняется на одном уровне. Впереди устанавливают металлическую дверь на петлях. Это позволит сохранять температуру внутри печной конструкции.

Для закалки стали понадобится от 300 до 900 градусов. Данный параметр напрямую зависит от материала, из которого выполнено металлическое изделие. Например, для закалки ножа из напильника понадобится температура равная 500 градусам.

В составе данного материала отмечают высокое содержание стали и минимальное количество вольфрама. Готовый предмет получается довольно прочным и долговечным.

Процесс закалки стали в домашних условиях

Самым простым способом закалки заготовки считается открытый огонь. Подобным методом пользовались ещё наши предки более 100 лет назад. Процесс обработки производится «на глаз».

Для рабочего процесса понадобятся следующие материалы и инструменты. К ним относятся:

• Огонь;
• Большая емкость с маслом;
• Ведро холодной воды;
• Металлические клещи с длинными рукоятками. Они помогут аккуратно доставать и опускать железо для дальнейшего накаливания.

Первым делом необходимо добиться нужной температуры. В печь отправляем горючий материал в виде дров и угля. Пламя начинает менять свой оттенок от ярко-оранжевого до малинового.

В это время в огонь добавляют дров и горючего материала. Когда языки пламени изменятся свою окраску на белый цвет, можно, переходить к закалке металлического изделия.

Основание ножа помещаем на горящие угли и оставляем до покраснения металла. В среднем для этого понадобится от 5 до 15 минут. Когда изделие приобретет ярко-красный оттенок его погружают масло.

Закалка ножа маслом помогает добавить пластичности и прочности. После первого погружения подобные манипуляции проводят течение ещё 5 раз. Далее отправляет металлический клинок обратно в нагревательную печь

.

Следующим шагом будет закалка холодной водой. Данная процедура является окончательной. Она добавляет прочности металлическому изделию. Раскаленную заготовку отправляют на 20 минут в ледяную воду. Фото закалки ножа представлена данная манипуляция.

Представляем вашему вниманию подробное видео закалки ножа. Здесь представлена вся очередной действий и манипуляции с углеродистой сталью.

Фото закалки ножа

Параметры процесса

Регулируемые параметры следующие.

1. Мощность нагрева. Она зависит от расхода ацетилена и скорости перемещения пламени относительно изделия.
2. Расстояние от центра факела до нагреваемой поверхности поддерживается на уровне от 2 до 3 мм.
3. Продолжительность нагрева или скорость перемещения нагревателя. От этих характеристик, которые подбираются экспериментально, зависит глубина закалки и твердость поверхности.
4. В качестве охладителя большей частью применяется вода с температурой 18-350С, а расход составляет около 1 л/см2.
5. Время между нагревом и охлаждением (5-10 сек) или расстояние между зонами нагрева с охлаждением (12-25 мм).

Технология закалки стали включает процессы нагрева металла, выдержку для выравнивания температуры с прохождением необходимых структурных превращений и охлаждение с заданной скоростью. Отличительной особенностью поверхностной закалки является быстрый нагрев.

Подготовка деталей перед закалкой заключается в сглаживании острых углов и очистке разными способами: пескоструйная, химическая, щетками вручную.

Поверхностная закалка при правильном режиме обеспечивает повышение стойкости деталей в 2-5 раз. Выбор режимов охлаждения позволяет плавно увеличивать твердость закаленного слоя до 700 HB. Процесс должен проходить быстро. На конечном этапе, когда температура составляет 200-3000С, скорость охлаждения замедляется. В результате уменьшается образование трещин и изделия не коробятся.

При перегреве легированных сталей твердость может уменьшиться, что рассматривается как брак. Здесь также отсутствует возможность точной регулировки толщины закаленного слоя. Кроме того, при работе с газом требуются дополнительные меры по обеспечению безопасных условий труда.

Как закалить нож?

Технология получения прочного, крепкого, надежного ножа невозможна без закалки. По сути это такой же технологический процесс обработки металла, как и заточка, фрезеровка и шлифовка.

Только вместо наждачного круга, штихеля и фрезы используется высокая температура.

И если полировка придает клинку зеркальный блеск, наждак остроту лезвия, а гравировка неотразимый рисунок, то закалка делает его прочным, что очень важно даже для домашнего кухонного ножа.

Какую сталь выбрать для заготовки ножа?

Сегодня марочник стали и сплавов может предложить металл в нескольких тысячах наименований и сортов. В состав сплава стали, могут кроме железа входить и вольфрам, и никель, и ванадий, и цинк.

От этого зависит физико-химические свойства металла, с вольфрамом он становится жестким и прочным, цинк делает его мягким, а алюминиевая составляющая позволяет делать вытяжку. Но для ножа важно не это, здесь определяющим моментом выступает, сколько углерода содержит металл.

Чем больше углеродная составляющая, тем он прочнее, но при этом он и более хрупкий. А вот чем меньше углерода, тем металл пластичнее, нет, не мягче, а именно пластичнее.

Поэтому, выбирая металл для ножа, рекомендуется обращать внимание на марочные стали и высоколегированные марки, клинок из такого металла будет и прочным, и гибким, оставаясь острым долгое время.

В чем состоит смысл процесса закаливания?

Высокотемпературная обработка металла позволяет изменить его внутреннюю структуру – при нагревании до определённой температуры содержание углерода в нем изменяется, а при резком остывании металл сохраняет приобретенную структуру. При чередовании процесса нагрева – остывания происходит приобретение металлом прочности. А вот нагрев в определенном температурном режиме позволяет при этом сохранить упругость металла.

Впрочем, закалка – это только первая часть процесса термической обработки металла. Вторая часть заключается в постепенном остывании металла после нагрева.

Отпуск необходим для снятия внутреннего напряжения, которое возникает в кристаллической решетке металла и делает его хрупким.

Таким образом, для того, чтобы закалить нож необходимо выполнить полную технологию закалки и завершить ее процессом отпуска металла.

Что нужно для закалки?

Ключевым моментом в процессе обработки клинка выступает процесс нагрева и поддержания в процессе определенного времени металла при высокой температуре. Для этого используются:

• Муфельная печь;
• Газовая горелка;
• Кузнечный горн;
• Паяльная лампа.

Каждый из методов имеет свои плюсы и минусы. К плюсам горелки и лампы относится их мобильность, чего не скажешь о горне и печи, но горелка и лампа не дают возможности поддерживать температуру нужное время. С другой стороны, отрегулировать температуру нагрева с точностью до 50 градусов можно только в печи, да и сам процесс работы с ней удобнее.

Закалка в классическом виде осуществляется нагревом до 700-1000 градусов, после чего делается охлаждение в емкости с минеральным маслом. Поэтому работать рекомендуется в специально подготовленном помещении, где есть возможность установить и печь, и емкость для масла.

В кузнечном горне разогреть заготовку довольно просто – при подаче воздуха угли раскаляются и заготовка может достичь нужной температуры. Здесь главное не перегреть клинок.

Ориентироваться лучше по специальной температурной шкале, в которой температура соответствует определенному цвету металла.

Правда, для того чтобы не ошибиться шкалу нужно изучить основательно, поскольку при перегреве, сталь теряет свои свойства и становится мягкой.

Процесс остывания заготовки проводится в емкости с минеральным маслом, без доступа кислорода. Емкость необходима довольно большая – клинок должен весь погружаться в масло, при этом масло не должно закипать.

Для работы с разогретой докрасна заготовкой понадобятся и кузнечные клещи с длинными рукоятками и брезентовые или кожаные перчатки. В домашних условиях для работ нужно предусмотреть и одежду из негорючего материала, и маску для защиты лица.

Процесс закалки клинка в домашних условиях

При работе с кузнечным горном или горелкой заготовка должна ложиться на угли, когда пламя приобретает малиновый оттенок. Пламя белого или голубого свечения для закалки не подходит – при белом цвете температура достигает 1000-1100 градусов, и металл быстро перегревается, а при голубом 500-600 он просто не успевает прогреться до нужной температуры.

Когда клинок равномерно окрашивается в пурпурно-красный а затем желтый цвет и при этом на поверхности исчезают видимые темные пятна заготовку можно вынимать и опускать в масло.

В емкости с маслом первый раз заготовка окунается на 3-4 секунды, после чего снова отправляется для обжига в печь или горн. По достижению темно-красного цвета металла ее снова вынимают и опускают уже на 4-5 секунд. Процесс повторяется 4-6 раз, при этом время увеличивается на 1-2 секунды.

В последний раз заготовка опускается в емкость с водой для охлаждения – здесь нужно быть особенно осторожным, поскольку вода может спровоцировать разбрызгивание капелек масла, оставшихся на лезвии.

До какой температуры нужно разогревать заготовку?

В зависимости от марки стали разогрев осуществляется в следующих диапазонах температур:

• Низкоуглеродные сплавы и стали – 730-945 градусов;
• Высокоуглеродистые стали 678-851 градус;
• Легированные стали – 850-1150 градусов;

Отпуск заготовок

Обработка высокой температурой приводит к созданию в металле внутреннего напряжения. Это отрицательно сказывается на гибкости и прочности металла. Заготовка становится хрупкой – при неправильном нажиме или перекосе она начинает крошиться или лопается.

Для того чтобы металл стал более пластичным проводится процедура отпуска – доведение температуры заготовки до момента наивысшей пластичности металла и постепенное, естественное его охлаждение. В муфельной печи для этого разогревают металл до необходимой температуры, а после, при закрытой дверце плавно охлаждают в течение 2-3 суток.

Проверить правильно ли закалился клинок довольно просто – достаточно провести напильником по лезвию – если лезвие скользит, закалка прошла удачно, ну а если задевает металл, то процедуру придется повторить.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Высокочастотный нагрев является одним из наиболее эффективных способов упрочнения поверхности. Применение ТВЧ до 10 тыс. кГц существенно сокращает время термической обработки. Через водоохлаждаемый медный индуктор пропускается высокочастотный ток. Образующееся электромагнитное поле проникает в деталь из стали, образуя в ней вихревые токи, тем самым вызывая нагрев. Основная энергия сосредотачивается в поверхностных слоях. Глубина прогрева зависит от магнитной проницаемости стали, электросопротивления и частоты тока. Регулируя эти параметры, можно изменять величину закаленного слоя.

Достоинства индукционного метода

• высокая производительность и экономичность нагрева, когда необходимо нагревать только отдельные участки деталей;
• поверхность детали незначительно окисляется, отсутствует обезуглероживание;
• изделия мало коробятся, меньше образуется трещин;
• точно регулируется глубина закалки;
• возможность автоматизации процесса.

К недостаткам метода закалки ТВЧ относится высокая стоимость и сложность изготовления индукционных устройств.

Медные индукторы изготавливаются с душирующими устройствами или без них.

Существуют следующие виды поверхностной закалки.

1. Одновременный. После нагрева деталь охлаждается водой. Закаливаемая деталь нагревается внутри индуктора. Через заданное время электрический ток отключается и через отверстия нагревателя сильными струями подается вода на охлаждение изделия. Для закалки зубчатых колес применяются кольцевые индукторы, а для плоских деталей — петлевые или зигзагообразные.
2. Непрерывно-последовательный. Вдоль неподвижной детали перемещается нагревающий индуктор, а за ним — душирующее устройство.

Нагрев ТВЧ позволяет создавать автоматизированные агрегаты в потоке цехов механической обработки. За счет этого нет необходимости в транспортировке деталей в термические цеха.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

• одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
• петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
• фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

• одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
• непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Другие способы поверхностной закалки стали

1. Закалка в электролите. Если через водный раствор электролита пропускать электрический ток, где катодом является деталь, которая быстро нагревается. Способ удобен, поскольку после отключения электроэнергии деталь тут же закаливается. Ванна с электролитом одновременно выполняет функции нагревательной печи и закалочной емкости.
2. Лазерная закалка. Излучение лазера разогревает поверхность металла до высокой температуры. Толщина упрочнения составляет менее 1 мм. Износостойкость деталей из чугуна возрастает в несколько раз, а предел выносливости стали — до 80 %. Способ часто применяется для упрочнения режущих кромок инструмента.

Закалка ножа в домашних условиях

Много столетий назад, мастера-кузнецы задавались вопросом, твердости клинка. И многие из них понимали, что сталь после нагрева нужно быстро остудить. Дамасские мастера, закаливали сталь в ущельях, где дули сильные ветра. Они считали, что сила ветра передавалась клинку, и он становился упругим, твердым и не ломался.

Закалка режущей кромки ножа.

Еще немного истории

Некоторые кузнецы использовали для этих целей мочу барана, собранную в течение трех дней. А другие применяли для такого процесса мочу мальчика, и он должен был быть непременно рыжим. Вот на какие хитрости шли мастера прошлого. Кстати, применение мочи, можно частично оправдать, так как присутствие в ней солей, сопутствовало быстрому забору тепла у раскаленного металла.

Были даже довольно варварские методы закалки, раскаленный клинок вонзали между ребер раба, и считалось, что его сила переходила в металлическую заготовку. Хорошо, что те времена миновали. Но люди постепенно замечали, что если после нагревания металла, его поместить в соленую среду, качество и характеристики его улучшались.

Шло время, и было проделано тысячи способов до достижения положительного результата. Молодой ученый металлург Д. К. Чернов, работавший над этой проблемой в 1866 году, достиг немалых успехов в определении для каждого металла определенных значений.

Завод, на котором проводил испытания господин Дмитрий Константинович Чернов, полностью избавился от брака и этого человека можно назвать прародителем современной металлургии. Сегодня любой студент, имея багаж знаний, накопленный веками, может справиться с закалкой стали.

Выбор стали для закалки ножа

Как известно, сталь это есть не что иное, как сплав углерода с железом. В них добавляются в небольших дозах добавки. Большую роль на качество будущего клинка они не играют. Важнейшим элементом является углерод.

Добавки могут быть такие, как цинк, хром, молибден, кальций и т.д. А вот чем меньше углерода в стали, она приобретает высокую прочность, но изнашивается быстрее и коррозия развивается быстрее. Для правильной закалки нужно обязательно знать состав будущего клинка.

Лучше всего провести углеродный анализ стали.

Идеальная закалка лезвия ножа.

Если будущее изделие будет, к примеру, из напильника или рессоры автомобиля. Закалка в данном случае просто необходима, тем более ковка такого металла подразумевает его обязательный нагрев. Проверить качество закалки, можно в домашних условиях, но он довольно «жестокий».

Нужно готовый клинок затянуть в тисках и начать постепенно гнуть его, и если излом клинка произойдет на отметке приблизительно в 45 градусов. Можно смело сказать – закалка была проведена верно.

Но так следует сделать, после первой вашей самостоятельной закалки клинка, нужно хорошо запомнить весь процесс и повторить его заново.

Способы закаливания

Способов закаливания существует, по сути, 2 типа. На открытом огне и в печи. Но, к сожалению, в обычном костре поднять температуру выше 900 градусов, не получится. Тогда приходит на помощь печь. Ее можно изготовить самостоятельно. Это довольно непростой процесс, но изготовив ее единожды, она прослужит вам достаточно долго. Тем более если вы начинающий мастер, она вам просто необходима.

В камере

Далее мы поговорим, как сделать самостоятельно муфельную печь для правильной термообработки заготовок, а сейчас просто и коротко опишем процесс закалки в ней, сталь клинка будет использована 50Х14МФ:

1. Прогреваем печь до нужной температуры, в данном случае 1070 градусов, и погружаем клинки в печь.
2. Загрузив клинок в печь, разогреваем печь опять до 1070 градусов, и при данной температуре начинается отсчет времени. Принцип прост: 1 минута 40 секунд, на каждый миллиметр толщины клинка.
3. По прошествии нужного времени, клинок вытаскивают и охлаждают на воздухе, в течение 15 минут под небольшим прессом.
4. Затем производится отпуск металла в духовке при 200 градусах.

Закалка ножа в камере выполненной в домашних условиях.

При данном процессе сталь получает твердость в 56 HRC.

Но учтите, что в данном случае закалка происходила без погружения в жидкости. Для каждой стали свои условия закалки. И результат, которого вы хотите добиться, будет целиком и полностью зависеть от самого процесса.

На открытом огне

Способ, можно сказать, опробованный нашими предками и ему уже много лет.

Чтобы правильно закалить сталь, без каких-либо точных измерительных приборов, так сказать «на глазок», нужна внимательность, и наберитесь терпения. Единственным способом проверки может являться магнит.

Когда металл достигает определенного для него точки накала, так называемой точки Кюри, он перестает взаимодействовать с магнитом.

И еще один признак, это цвет самой заготовки, она должна стать темно-красной. Но также в процессе нужно следить, чтобы не появлялось синих или черных пятен, это говорит о перегреве. Заготовку стоит класть в угли, когда цвет пламени от них будет малиновый.

Что потребуется:

• минеральное масло в емкости (можно отработку);
• ведро с водой;
• хорошо подготовленные угли;
• длинные металлургические клещи.

Закалка ножа на открытом огне.

После того как деталь приобрела нужный оттенок и не магнитится, нужно аккуратно взять ее клещами и опустить в масло на 3-и секунды, и так нужно поступить несколько раз. С каждым разом удерживая заготовку в масле немного дольше. И в конечном этапе погружаем ее в воду.

Как изготовить камеру для закаливания металла

Понятно, что изготавливая такую камеру, к процессу лучше подойти серьезно, так как делать вы ее будете не на один день или раз. Попробуем кратко описать процесс изготовления такой камеры, также называют ее – муфельная печь.

1. Главное, правильно изготовить «тело» такой камеры, здесь прибегают к простому процессу. Будущая горловина изготавливается из любого бумажного твердого материала (типа картон), обмазывается огнеупорной глиной толстым слоем. Не забываем сделать тонкую прослойку парафина, между формообразующим бумажным материалом и глиной.
2. Вторым этапом, минимум сутки высушивается будущая камера, а затем помещается в духовой шкаф и прокаливается на невысокой температуре около 90-110 градусов по Цельсию. После этого этапа бумажную составляющую уже можно извлекать.
3. Окончательный обжиг конструкции происходит на открытом огне при температуре около 900 градусов, затем производится остужение при естественных условиях. Нужно дождаться полного охлаждения камеры.
4. После того как заготовка будет остужена, она приобретает свойства камня, становится очень жесткой как кирпич. К ней приделывают дверцы, открывающиеся по горизонтали.
5. Заключительным этапом можно назвать обматывание будущей печи проволокой из нихрома, диаметром сечения около 0,75 мм. На всю конструкцию потребуется около 18 метров. Для исключения короткого замыкания при обмотке обмазывать сразу лучше сырой глиной. В корпусе проделываем два отверстия, одно для термопары (измерять температуру), а второе для визуального контроля.

Изготовленная своими руками камера для закалки ножа.

На этом, можно сказать, что печь для каления металла готова. Как видите, нет ничего сложного в изготовлении муфельной печи для дома.

Очень хорошо, если имеется печь для закаливания стали. Ее можно даже приобрести в специализированном магазине, но стоит удовольствие не дешево. Так как закалить нож в домашних условиях, не имея специальной муфельной печи? Выход есть и честно говоря не один.

Но для начала, нужно провести небольшие эксперименты, и подробно запомнить все ваши действия. Если результат окажется положительным, то эти же манипуляции можно производить с уже настоящей деталью.

Такой хитрый прием, поможет «набить руку» на небольших заготовках и приобрести навыки нагрева и охлаждения клинка. Нельзя забывать, что для разных сплавов, требуется разная температура и способы охлаждения, а иначе не избежать трещин и хрупкости заготовки.

Источник нагрева

В основном можно выделить несколько источников нагревания заготовки. Муфельную печь, лучше исключить, так как по всем экспертным оценкам – она самая лучшая в этом деле. Но мы попробуем оценить другие довольно распространенные приспособления для нагрева.

Кузнечный горн, довольно неплохо, справляется с накаливанием заготовок. Для такой цели может подойти паяльная лампа или пропановая горелка, способом проб и ошибок, можно достигнуть желаемого результата. Кстати, для этих двух вариантов, можно соорудить небольшую печь из огнеупорного кирпича, и процесс будет проще, а результат положительный.

Огнеупорная печь из кирпича для закалки ножа.

Ну и последний, можно сказать, совсем неприемлемый источник нагрева, это газовая плита. Если хотите, что-то испортить воспользуйтесь этим вариантом.

Охлаждение и отпуск

Для правильной закалки нужно выдержать правильный температурный режим при охлаждении. Нержавеющие сплавы предпочтительнее охлаждать в минеральном масле с присадками. А низколегированные стали, в водных растворах с солью, и другими добавлениями.

Охлаждение ножа минеральным маслом с присадками.

Существует много вариантов охлаждения:

• клинки с двусторонними лезвиями, опускают сперва в масло, а затем в водный раствор;
• трижды в масло опускают заготовки раскаленные докрасна, каждое погружение, по времени чуть дольше предыдущего. И только потом опускают в воду;
• для придания упругости середине клинка прогревают эту часть, затем опускают в кипяток на 2 часа, а затем в ледяную воду.

При этих всех манипуляциях стоит учитывать, что в масле металл остывает в два раза быстрее.

Заготовка, прошедшая закалку, для восстановления кристаллической решетки структуры метала, подвергают специальному процессу, который называется– отпуск.

В процедуре этой нет ничего сложного: клинок нужно прогреть в течение пары часов. Для легированной стали 270-320 градусов, для простой 150-200 градусов.

Определение качества работы

Пройдя все вышеописанные этапы, хотелось бы узнать, что из этого выйдет. Как проверить качество проделанной работы, довольно просто:

• заточки должно хватать надолго;
• лезвие не должно сминаться или крошиться при соприкосновении с плотными материалами;
• клинок должен иметь пластичность, изгибаясь – восстанавливать прежнюю форму;
• нормальный инструмент, при регулярной заточке и постоянном использовании, должен прослужить не менее 10 лет.

Не забывайте, что настоящее мастерство приходит с опытом. А опыт, как известно – сын ошибок трудных.

Если не получилось с первого раза, или со второго, то проявите настойчивость – с десятого выйдет не хуже, чем у других. Изучайте материал, упражняйтесь и ваяйте истинную красоту.

Отпуск после закалки

Закалка и отпуск — это 2 процесса, дополняющих друг друга и обеспечивающих получение качественных деталей. Назначение отпуска — заключительная операция после закалки, формирующая окончательные, более устойчивые свойства металла, обеспечивающая снятие внутренних напряжений. Изделие из стали определенной марки нагревают и выдерживают при соответствующей температуре, после чего охлаждают на воздухе.

1. Низкий отпуск при 120-2500С — обработка инструмента и др. деталей. Металл имеет стабильную структуру, высокую износостойкость и твердость.
2. Средний отпуск при 350-5000С — для штампов, пружин, рессор. Структура имеет хорошую пластичность, высокую упругость.
3. Высокий отпуск при 500-6800С — среднеуглеродистые конструкционные стали. Обеспечивает высокую прочность, вязкость, пластичность.

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

Перегревание поверхности заготовки способствует росту кристаллов аустенита, что губительно сказывается на хрупкости. Недогрев не дает полностью феррито-перритной структуре перейти в аустенит, и могут образоваться незакаленные пятна.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.