Придание стали прочности путем закаливания

Знание об изменениях металла под воздействием высоких температур легло в основу кузнечного дела. Сейчас научно установлено, что закалка металла путем нагревания и последующего охлаждения улучшает рабочие качества изделий, увеличивает прочность и срок службы. При этом уменьшается их вес и себестоимость: качественную вещь можно создать из недорогого сплава.

Виды закаливания стали

Суть стальной закалки – в нагревании металла до нужных температур и дальнейшем охлаждении. Металл в результате термообработки становится твердым и прочным, и при этом менее пластичным.

Есть разные виды закалки стали и дальнейшего отпуска. Выбранный режим зависит от состава металла, требующейся прочности и правил охлаждения. Наиболее часто используемые типы закаливания:

Виды термической обработки стали

• в одной среде;
• ступенчатое;
• изотермическое;
• светлое;
• с самоотпуском.

Суть первого из них состоит в том, что стальную деталь погружают в жидкость и оставляют до окончательного охлаждения. При ступенчатой закалке изделие помещают сначала в соляную среду, а потом в масло, либо остужают на воздухе. Изотермическая закалка стали проходит аналогично ступенчатой. Но процесс нагрева длится дольше. Два последних способа гарантируют, что металл не покоробится и не потрескается.

Светлая закалка ведется в специально оснащенных печах с защитной средой для достижения чистой и ясной поверхности. Суть закалки с самоотпуском в том, что детали не держат до полного охлаждения. Их вынимают из охлаждающей жидкости раньше стандартного времени. Отпуск проходит за счет тепла, оставшегося в центре слоя металла. После этого предмет окончательно охлаждают в жидкости для закалки.

Иногда деталям из металла требуется лишь поверхностная закалка. Ее проводят плазменным, лазерным методом, токами высокой частоты и другими менее популярными способами.

Температурные режимы при закалке металла

Качественная термообработка металлов требует соблюдения правильных режимов температур. Зависят они от состава стального сплава. Существуют цветовые таблицы, подсказывающие, как правильно нагревать или охлаждать стальную деталь в зависимости от марки. Большинство сталей достигают нужных характеристик при равномерном прогреве до 780–850 °C и быстром охлаждении до температуры 300–450 °C. После этого идет медленное охлаждение до нормальной температуры.

Как определить температуру отпуска (побежалости) металла на глаз

Нагревание металла свыше уровня рекристаллизации сделает изделие хрупким. Металл потрескается за счет изменения структуры до крупной зернистости.

Иногда для снятия напряжения после нагрева охлаждение проводят постепенно. Такой способ термообработки металлов не только сохранит его лучшие качества, но и увеличит твердость.

Выбор среды для охлаждения

Закаливание сталей регламентирует и правила охлаждения изделия из металла. Так, излишняя скорость охлаждения может привести к серьезному внутреннему напряжению металла и последующему растрескиванию, короблению. Во избежание подобных проблем раскаленный предмет опускают в масляную среду. Но охлаждение углеродистых сталей возможно лишь в воде. Иногда проводят двойное охлаждение – в масле и воде либо ступенчатым способом. Снизить температуру водой можно, опустив в нее деталь, или струйным способом.

На качество закалки металла влияет не только среда, но и способ погружения:

Если не соблюдать эти условия, предметы из металла могут покоробиться.

Если нужно закалить только часть изделия, используется местная закалка стали. Деталь раскаляют не полностью, а только нужный отдел. Но в среду для охлаждения ее помещают целиком.

Немаловажным фактором является и скорость охлаждения. Она должна быть не менее 150 °C за секунду. За три секунды раскаленный металл обязан охладиться в среднем до 300 °C. Так его структура не разрушится. Далее процесс охлаждения может идти с любой скоростью. Чересчур быстрое охлаждение металла также неприемлемо – он станет излишне хрупким.

Предупреждение обезуглероживания и появления окалины

Закалка большинства изделий из металла проводится после окончательной обработки. Образование окалины либо обезуглероживание недопустимо – эти недостатки будет уже не исправить. Чтобы их избежать, применяют особые методы закалки стали. Для этого используются:

Поверхностное насыщение стали защитным газом

• защитная газовая среда;
• отработанный карбюризатор и чугунная стружка;
• раскислители для соляных ванн.

Защитный газ можно нагнетать только в герметичную печь. Стружку и карбюризатор насыпают на поверхность металла, а затем предмет помещают в герметичный контейнер, дно которого покрыто этими же компонентами. Чтобы не просочилась даже малая толика воздуха (это вызовет окисление), контейнер нужно обмазать глиной.

Если нагревание металла идет в соляной среде, ее надо раскислять. Этот процесс должен проходить за смену не реже двух раз. Иначе поверхность металла может быть обезуглерожена либо на ней появится окисел. Чтобы раскислить соляную среду, применяют:

• бурую соль;
• борную кислоту;
• древесный уголь.

Последний компонент нужно опустить в особую емкость с крышкой. В ее стенках сделано большое количество отверстий. Когда стакан с древесным углем аккуратно опускают в соляную среду, ее поверхность воспламеняется. Огонь быстро затухнет, но действовать нужно очень осторожно, чтобы избежать пожара.

Проверяют качество раскисляющего процесса следующим способом:

1. Нагревают бритвенное лезвие из нержавейки в этой среде на протяжении пяти минут.
2. Затем его достают и опускают для охлаждения в простую воду.
3. Холодное лезвие проверяют на ломкость. Если оно переломилось, а не согнулось, раскисление было выполнено правильно.

Применение кальциевого сплава для окончательного раскисления

Закалка металла в домашних условиях

Закаливание сталей, включая нержавеющие, реально провести дома самостоятельно, без использования сложного оборудования. Это делают для придания прочности стальным предметам быта. Для нагрева инструментов применяют электрические и газовые плиты, духовые шкафы, печи, раскаленный песок.

Закалка бытового инструмента

Процесс закалки стали требует внимательного отслеживания, особенно если он проводится в домашних условиях. Нагрев бытового инструмента, кроме ножей, не должен превышать 780 °C. Металл при этом принимает бордовый оттенок.

Можно вычислить допустимую температуру и при помощи магнита. Если металл к нему не «приклеивается», значит, температура достигла 768 °C, можно проводить охлаждение.

Перед закалкой инструмент нужно хорошо очистить от ржавчины и масляных пятен, а острые края, например, у топора, слегка затупить. Дальнейшая последовательность действий с инструментом из металла такова:

Как провести закалку инструментов из стали

1. Нагреть до темно-красного цвета в несколько подходов.
2. Опустить в масло для охлаждения.
3. Направить в духовку, прогретую до 200 °C.

В духовом шкафу потихоньку снижают температуру до 80 °C. Все это займет приблизительно час. Затем инструмент держат на открытом воздухе.

Метод медленного охлаждения не подойдет для хромоникелевых сплавов – изделие станет хрупким. Такие предметы охлаждают в масляной ванне.

Повышение твердости клинка

Недостаточно крепкому клинку ножа можно придать твердость путем закалки в печи или духовке. Перед этим пластиковую либо деревянную ручку требуется снять и поместить лезвие в холодную печь. Затем нужно:

1. Нагреть печь до 900 °C (клинок станет ярко-алым).
2. Порезать горячим лезвием сургуч 10 раз.
3. Сделать 5 циклов нагрева и охлаждения в сургуче.

Таблица температур закалки быстрорежущих инструментальных сталей

Погружать клинок в сургуч нужно на полтора сантиметра в глубину. Смоченным в скипидаре лоскутом снимают остатки охладителя. Если печь стоит не на улице, а в помещении, нужна хорошая вентиляция – при нагревании сургуч издает отвратительный запах. Чтобы избежать этого, процесс можно проделать на свежем воздухе, распалив костер.

Если изучить поведение металла при термообработке, в домашних условиях можно придать твердость и крепость даже не очень качественным стальным инструментам небольших размеров.

Самое важное в процессе закалки стали – полностью соблюдать технологические правила. Любые ошибки и неточности приведут к порче металла. Но если следовать технологии, закалить металл несложно даже в домашних условиях.

Видео по теме: Термообработка, отпуск, отжиг, нормализация, побежалость