Зачем нужна и как проводится закалка стали

Зачем нужна и как проводится закалка стали?

Закалкой называют вид термической обработки металлов, который заключается в нагреве выше критической температуры с последующим резким охлаждением (обычно) в жидких средах. Критической называют температуру, при которой происходит изменение типа кристаллической решетки, то есть осуществляется полиморфное превращение. Она определяется она по диаграмме «железо-углерод». фото

Поместите изогнутую часть («U») в самую горячую часть пламени, удерживая стержень за два конца. Самая горячая часть пламени — маленький конус посередине пламени. Вращайте, пока он нагревается пламенем, чтобы нагрев был равномерным. Тепло от паяльной лампы «возбуждает» атомы и они становятся более подвижными, начиная перестраиваться.

Методика закалки

В интернете можно найти большое количество методик и видео закаливания металлических предметов, но большинство из них предусматривает наличие специального оборудования, но есть способы, которые помогают повысить качество стали подручными средствами.

Вначале нужно определить, что собой представляет закалка стали. Основной процесс подразделяется на две части, а точнее, говоря, разогрев металла до высокой температуры и последующее охлаждение. Процесс выглядит только на первый взгляд простым, а ведь приходиться учитывать структуру и характеристики металла. Если без анализа стали начать её разогрев, материал, скорее всего, деформируется. Особенно часто деформация происходит с малоуглеродной сталью, поэтому если структура металла неизвестна, лучше не применять термическую обработку.

Закалка стали оправдана только в некоторых случаях.

  1. Необходимость в повышении прочности инструмента. К примеру, это может быть обычная кухонная утварь, стамеска или зубило.
  2. Повышение пластичности металла также требует термической обработки для дальнейшего упрощения работы при горячей ковке.

Заказать услугу по закалке стали можно и у специалистов, тем более что стоимость приемлемая. За 1 кг металла большой конструкции кузнецы обычно берут не больше 100–150 рублей. Если закаливать мелкие детали, то расценки составляют около 6–20 рублей. Это не будет гарантировать качества инструментов, поэтому многие и стараются применять термическую обработку в домашних условиях, чтобы самостоятельно следить за процессом.

Первым делом при разогревании стали нужно запомнить некоторые правила. Сталь можно и испортить, если поднимать температуру металла выше нормы. В таком случае инструмент может приобрести чёрный или синий оттенок, который в итоге нельзя будет даже сточить наждачной бумагой. Для того чтобы подобного дефекта не было, металл должен иметь в своей структуре достаточное количество углерода, а также нельзя переусердствовать с повышением температуры. Обычно сталь считается разогретой, если появляется красный оттенок.

Для термической обработки стальных инструментов может подойти резак, паяльная лампа, электрическая или газовая плита. В некоторых случаях разогрев металла можно производить и на костре. Фактически разницы нет в том, где лучше разогревать металлическое изделие. Просто на открытом воздухе, при разогреве с помощью костра, может не хватить энергии тепла для достижения необходимой температуры. Поэтому важно заранее уточнить температуру плавления и закалки материала.

Необходимо определиться и с охладителем при термической обработке. Для этого подойдёт любая ёмкость с водой, главное, чтобы инструмент поместился полностью. Если проводится закалка стали расходных материалов, то тут можно использовать и простую обрезанную бутылку. В случае проведения термической обработки топора, лома и других подобных инструментов, нужно выбирать ёмкость с большим объёмом. В некоторых случаях может подойти даже ванна, тем более что риска её деформации нет.

Охладитель подбирается не только с учётом размера стального предмета, но и способа термической обработки. Иной раз нужно закалить только определённый участок, и в этом случае можно использовать только струйное охлаждение. Точнее говоря, на материал каплями выливают простую воду в участок, который требует закалки. Особенно часто такой метод используется при термической обработке сверла для дрели или на гвоздях для повышения качества наконечника. Методику закалки можно разделить и на несколько уровней.

Выделяют следующие уровни охлаждения:

  • резкое;
  • разовые;
  • постепенное.

Для одинарного охлаждения чаще всего используется простая ёмкость с водой. Если используется охлаждение в две стадии, то в процессе применяется два разных средства. Это, свою очередь, повышает не только качество, но и появляется отпуск стального материала. В первую очередь сталь опускают в простую воду, а потом переставляют для дальнейшего охлаждения в машинное или минеральное масло. Процесс достаточно опасный, ведь нужно охладить изделие в воде, чтобы не произошло воспламенение масла.

Закалка стали на открытом огне

Как закалять металл в домашних условиях на открытом огне? Вопрос достаточно распространённый, и есть масса методик. Проводить термическую обработку на открытом костре, может быть, и не так эффективно, но при этом понижается опасность возникновения пожара, особенно при использовании масла во время охлаждения стального материала.

Первым делом нужно подготовить инструменты. Необходимо взять стальной материал, который будет проходить термическую обработку, кузнечные клещи или аналоговый инструмент и две тары. В одну ёмкость следует налить воду, а в другую тару добавляется машинное или дизельное масло.

После этого следует развести огонь, при этом использовать большое количество угля. В отличие от большинства методик разогрева металла, тут материал нужно положить прямо на угли и желательно, чтобы они были белого цвета, ведь именно они выдают наибольшую температуру. Огонь, который будет обволакивать сталь, обязан быть малинового цвета. Если появляется огонь белого цвета, то можно считать, что стальной материал начал гореть. Спасти его в таком случае невозможно, поэтому до такой стадии плавления лучше закалку не доводить.

Нельзя также допускать, чтобы на металлическом изделии появлялись чёрные или синие пятна. Синий цвет свидетельствует о том, что сталь слишком размягчилась и начала деформироваться, поэтому время от времени стоит проверять оттенок материала. Полная деформация металла происходит, когда предмет приобретает белый цвет.

После того как стальной материал разогрелся, нужно вытащить его из огня и опустить в масляную жидкость. Металл следует обмакивать несколько раз с промежутком в три секунды, постепенно увеличивая это время. Главное, всё выполнять без спешки, но и медлить нельзя, ведь обмакивать сталь можно только в том случае, если материал имеет соответствующий оттенок нагрева. После этого металлическое изделие помещается в простую воду, но тут стоит быть предельно внимательным, так как оставшиеся капли от масла могут просто вспыхнуть. Если процедура проведена с учётом всех рекомендаций, металлическое изделие можно просто оставить в воде до полного остывания.

Важно также запомнить, что в отличие от обычных инструментов, вытянутые предметы, например, сверла или гвозди, нельзя опускать в воду боком, так как нижняя часть из-за высокой температуры и резкого соприкосновения с водой может просто сплющиться. Такие вытянутые предметы опускаются воду вертикально, причём концом, который имеет больший диаметр.

Закалка стали в домашних условиях на плите или костре подходит только в тех случаях, когда используется простой тип материала. При закалке цветного металла требуется слишком высокая температура, которая равняется 600–900 градусам. Добиться такого результата можно при помощи доменных печей, но не в домашних условиях.

Читайте также  Напряжение измеряется в

Особенности технологии

Можно выделить 3 основных этапа термической обработки стали:

  1. Отжиг. Для начала проводится нагрев структуры до температуры, которая выбирается в зависимости от типа закаливаемого материала (для У7 +780°С). После нагрева металл оставляют в печи для медленного охлаждения.
  2. Закалка. После выполнения отжига наступает этап закалки. В зависимости от типа металла температура нагрева может варьировать в пределах +800…+1000°С и выше. В домашних условиях можно достигнуть лишь показателя +800°С или чуть выше. Нагрев проводится до момента, пока металл не станет полностью красным, при этом графит и вся кристаллическая решетка перестраивается. Охлаждение может проходить в воде, но лучше использовать масло, что позволит снизить вероятность появления серьезных дефектов в структуре. При этом следует учитывать, что при нагреве масла может образовываться дым и другие продукты горения, которые вредны для человека.
  3. Отпуск. За счет отпуска можно существенно снизить хрупкость структуры, при этом изделие выдерживается в духовке на протяжении 1 часа или более при температуре не выше +320°С. Важно учитывать, что на этом этапе не должно происходить перестроение кристаллической решетки, т. к. сильный нагрев может привести к снижению твердости поверхностного слоя.

Закалка ножа в домашних условиях осуществима, этого потребуется обычная печь, место для проведения работы, а также емкость с маслом или водой для охлаждения металла.

Много внимания уделяется выбору способа охлаждения стали. Различают следующие методы:

  • Применение одной среды.
  • Охлаждение при использовании двух жидкостей.
  • Струйный метод снижения температуры поверхности металла.
  • Метод ступенчатого охлаждения, применяемый для снижения напряжений в структуре материала.

При проведении закалки в домашних условиях следует учитывать, что слишком быстрое охлаждение становится причиной повышенной хрупкости структуры. Важно обеспечивать равномерное охлаждение, что позволяет получить равномерную структуру.

При работе с раскаленной сталью следует соблюдать осторожность. Нельзя проводить подобные работы вблизи легковоспламеняющихся материалов.

Что такое закалка металлов и ее виды

Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.

Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.

Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.

После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.

Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.

При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.

Особенности закалки стали

Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.

Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.

Виды закаливания сталей

В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.

Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.

Охлаждающая среда

Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.

Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.

Важно: При выборе среды, в которой проводят охлаждение металла после нагрева, следует учитывать, что в воде охлаждение проходит быстрее, чем в масле! Например, вода температурой 18°C способна охладить сплав на 600°C за секунду, а масло всего на 150°C.

Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).

Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.

Важно: Слишком быстрое охлаждение металла приводит к его излишней хрупкости! Это следует учитывать при самостоятельной закалке.

Различают следующие способы охлаждения:

  • С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
  • Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
  • Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
  • Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.

Температурный режим

Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.

Важно: Нагрев металла выше точки рекристаллизации приводит к крупнозернистому строению, ухудшающему его свойства: излишней хрупкости, приводящей к растрескиванию!

Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.

Какие виды закалок бывают

Если брать стали, то малоуглеродистые из них вообще не поддаются термическому преобразованию. Цветные металлы закаливаются иначе, чем черные – во внутренней структуре первых не происходит полиморфное превращение.

Для точной выдержки технологического процесса закалки разработаны специальные таблицы по каждой марке металла. В остальном, если брать конкретную деталь, то под видами закалки понимают:

Виды термической обработки стали

  • Частичную термическую обработку, где воздействию подвергают только определенный элемент детали, например, лезвие ножа;
  • Полную термическую обработку, когда все изделие помещают в печь, раскаляют, а затем охлаждают до первоначального состояния.

По количеству охладителей, которые используют для остужения детали, бывают закалки с одним и двумя охладителями. В первом случае процесс одноступенчатый, с применением определенной жидкости для остужения заготовки из углеродистой либо легированной стали. Во втором процессе участвуют два охладителя, каждый из которых понижает температуру заготовки в своем режиме. Одновременно здесь происходит и отпуск металла.

Читайте также  Схема диодного моста

Особенности закалки стали

Как уже говорилось ранее, закалка является одним из видов термообработки металлов. Она подразумевает нагрев температуры тела до такой степени, что становится доступным изменение его кристаллической решетки. После такой обработки нож или другой объект из металла становится несколько тверже и прочнее, плюс к этому полностью теряется его пластичность до следующей закалки.

Также существует понятие отпуска. Это другой вид термообработки, с помощью которого понижается напряжение металла, которое он приобретает в процессе закалки.

Стоит знать, что закалка производится исключительно над нержавеющими стальными телами, а также сплавами, из которых они изготавливаются. Благодаря своей структуре изделие обладает высоким показателем твердости, который влияет на его хрупкость. При правильной термообработке, а также последующем быстром отпуске можно снизить хрупкость объекта и позволить его использование во множестве сфер.

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.

Закалка ножевой стали в домашних условиях

Для простых углеродистых сталей даже в кустарных условиях можно сделать удовлетворительную закалку, главное – вооружиться правильными знаниями.

В качестве исходников можно использовать отслужившие инструменты, рессоры и напильники; следите, чтобы на них не было ржавчины. Заготовка из новенького переплавленного металла, конечно, лучше, так как детали, которые долго служили, имеют такое качество, как усталость, что снижает их прочность. Хотя для качественных материалов достаточно провести отжиг, который заключается в нагреве стали, выдержке при определенной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью или в песке со скоростью два-три градуса в минуту. В результате отжига образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений.

И для отжига, и под нагрев детали под закалку можно использовать самодельный горн из ямы, обложенной кирпичами, из паяльной лампы и трубы. В идеале, конечно, пользоваться муфельной печью.

Проверить в домашних условиях, дошла ли закалка до нужной степени, просто: можно провести напильником по закаленному изделию – если закалка не прошла до конца, напильник просто прилипнет к ножу. Перекал проверятся в кустарных условиях сильным ударом заготовки по твердому предмету – камню или рельсу: перекаленный клинок разлетается при таком ударе на части.