Как самому закалить металл в домашних условиях

Практическая область применения ножей предусматривает их соответствие определенным качественным характеристикам, без которых такое изделие превратится в памятный трофей, висящий на стене в гостиной. Наибольшее значение для комфортного и длительного пользования имеет качество и свойства клинка ножа . Поскольку его прямой задачей является нарезание, то он должен соответствовать следующим показателям:

• твердость клинка. Это одно из основных свойств, которое представляет собой способность лезвия ножа к сопротивлению проникновения другого металла. На практике, изделия высокой твердости хорошо держат заточку, не ломаются от силового бокового давления, не деформируются. Измерить данный показатель можно, воспользовавшись методом Роквелла, единицы измерения для которого – HRC. Идеальные показатели для ножей – от 52 до 55 HRC. Следует учесть, что чем выше твердость, тем металл становится более хрупким;
• прочность. От нее зависит сохранение вида и формы изделия после различных деформаций. Традиционно проверяется тестом на изгиб (металл хорошей прочности должен не ломаться при изгибе в 40°);
• пластичность. Свойство, благодаря которому металл приобретает и сохраняет свою новую форму после деформаций. Понятие обратно пропорциональное твердости: чем больше твердость, тем меньше пластичность;
• износостойкость – способность клинка оказывать сопротивление износу в процессе эксплуатации.

При изготовлении ножа, эти характеристики стают основной целью, которую исполнители стараются довести до предельно идеального состояния. В частности, твердость и прочность клинка закладывается непосредственно при формировании изделия, путем закалки стали с ее последующим отпуском. В домашних условиях придется приложить для этого определенные усилия, но результат может быть не хуже, чем при заводском производстве. Успех предприятия, особенности технологической работы будут зависеть не только от правильно выполненных манипуляций с металлом, но и от качества и марки самой стали.

Выбор стали для закалки ножа

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и различными примесями. В зависимости от содержания последних компонентов, выделяют такие виды этого металла:

• углеродистая;
• легированная.

Углеродистая сталь содержит не более 2,14 % углерода. Чем его меньше, тем больше пластичность клинка, чем больше, тем тверже и прочнее будет изделие. Такое лезвие хорошо режет, но будет плохо держать заточку, быстрее изнашиваться. Однако не составит труда подобный нож наточить. Металл подвержен коррозии. В качестве плюса можно отметить хорошую способность к сварке. При этом малоуглеродистая сталь не подлежит закалке.

Особенностью данной стали, является низкая красностойкость, которая равна 250°С. При нагревании до более высоких температур (что и происходит во время закалки) она теряет свои свойства, становится хрупкой. Именно поэтому, приступив к закалке будущего ножа, следует учитывать, из чего он выполнен и, исходя из этого, выбирать оптимальный режим температур для последующей работы. Для тех, кто хочет сделать нож своими руками, эта сталь станет идеальным вариантом, ведь с ней легко работать.

При закалке углеродистой стали, следует соблюдать определенный температурный режим, дабы металл не покоробился и не потрескался. Для низкого содержания углерода идеально подойдет температура от 727 до 950°С; для высокого (до 2.0 % содержания углерода) – от 680 до 850°С.

Для изготовления ножей в домашних условиях наиболее часто применяется сталь следующих марок:

• от У7 до У16 (подвержены глубокой коррозии, лезвие таких марок стали будет острым и твердым);
• 65Г - идеальный вариант для ножей, предназначенных для рубки, ведь обладает ударной вязкостью. Такое лезвие будет плохо держать заточку и быстро ржаветь;
• О-1 - весьма популярна у знатоков своего дела, что обусловлено приемлемой стоимостью, легкостью в закаливании. Поскольку это высокоуглеродистая сталь, то она еще и очень твердая (до 60 HRC), износостойкая, но ей также страшна коррозия;
• M-2 - ее твердость достигает 66 HRC. Лезвие долго держит заточку, легко ржавеет. Имеет большую, по сравнению с другими, красностойкость;
• 1095 - часто используется для изготовления ножей. Из своей серии именно в этой марке содержится наибольшее количество углерода, благодаря чему такое лезвие будет хорошо точиться, неплохо держать заточку, сохраняя при этом приличную твердость.

Особенности закаливания легированной стали

Легированная сталь помимо углерода содержит еще ряд элементов (до 50% от всего сплава), таких как:

• хром (его наличие наделяет изделие устойчивостью к коррозии, свыше 13% его содержания превращает металл в «нержавеющий»);
• никель (присутствует для увеличения прочности);
• молибден - также увеличивает прочность стали, особенно если ее подвергать термическим нагрузкам. Повышает сопротивление изделия агрессивным средам, коррозии, предает ударной вязкости;
• ванадий улучшает режущие свойства лезвия, его износостойкость. Незаменимый компонент для тех деталей, которые нужно сделать очень острыми, ведь благодаря ему структура металла после закалки становится мелкозернистой.

Эти, а также ряд других элементов, находятся в сплавах в разных количествах и сочетаниях. Общими характеристиками для всех легированных металлов является их антикоррозионность, большая красностойкость (металл выдерживает температуру в 300°С). Плохо подлежит точению, лезвие не отличается остротой. При доведении до высоких температур такая сталь не коробится.

Проведение процедуры закалывания легированной стали, имеет ряд особенностей по сравнению с углеродистой. Они напрямую зависят от химического состава сплава и, как следствие, от его характеристик.

Прежде всего, такую сталь следует закаливать при более высоких температурах – от 850 до 1150°С. Поскольку она хуже проводит тепло, то для нагревания и последующего охлаждения ей понадобится больше времени (при быстром нагреве металл может просто треснуть от малейшего прикосновения). Длительное нагревание обусловлено не только необходимостью полностью прогреть изделие, но и дать возможность раствориться легированным соединениям сплава, что положительно повлияет на механические свойства клинка. Меньшая скорость при охлаждении обеспечивается закаливанием в масле, а не в воде, как у углеродистых изделий.

Среди марок наиболее часто используют:

• 420. Типичная «нержавейка». Она привлекательна благодаря своей цене в сочетании с неплохой твердостью. Быстро тупится, однако легка в обработке;
• 440А. Твердость этой стали достигает 56 HRC. Отличное сопротивление коррозии, хорошо подвергается закалке;
• ATS-34. Отличается острым лезвием, которое долго держит заточку. При этом твердость такого клинка – 60 HRC;
• CPM S30V. Превышает все остальные образцы по износостойкости в десятки раз.

Выбрав качественную сталь, дело остается за малым, но не менее важным – правильно осуществить термообработку металла .

Приступая к изготовлению ножа в домашних условиях, следует знать основные моменты и правила того, как закалить сталь для ножа , соблюдая которые удастся достичь максимального результата.

Процедура закаливания – обязательный этап при изготовлении изделия. Приступать к нему следует после того, как клинку задали нужную форму в процессе отжига. Эта манипуляция призвана снизить твердость детали для того, чтобы можно было следовать наброску будущего лезвия. Однако нож должен быть не только красивым, но и твердым, прочным, если им предполагается пользоваться. Вот здесь и приходит на помощь закалка металла для ножа.

Данная процедура начинается с доведения нужных образцов до необходимой температуры. Как уже было сказано, температура зависит от вида и марки стали, но в среднем можно назвать цифру в 700°С. Прогревание следует делать равномерно по всей длине изделия. Неравномерное прогревание, наравне с резким охлаждением, может спровоцировать различные дефекты, вызвать коробление стали. Узнать, прогрелась ли поверхность до нужной температуры, и можно ли ее вынимать для выполнения следующего этапа, подскажет цвет стали.

Вишнево-красный и алый цвет металла скажут о приобретении температуры, значением от 730 до 800°С. Приближение к светлым оттенкам желтого говорит о том, что градус «зашкалил» за отметку в 1100°С. При белом цвете произошел явный перекал, так как он показывает значение выше 1300°С.

Если деталь перекалить, то она будет безнадежно испорчена (приобретет необратимую хрупкость и ломкость, может просто рассыпаться) и придется начинать все с начала. Если недокалить сталь, то изделие окажется мягким, будет легко гнуться, но в этом случае, если правильно повторить процедуру, все можно исправить. Такая закалка увеличит твердость детали в 3 – 4 раза.

После того, как металлический клинок был закален, он становится очень твердым, но в то же время хрупким. Это для ножа ситуация недопустимая. Поэтому и существует следующий этап, направленный на возвращение клинку прочности (которую многие называют приоритетным качеством в ножах) – отпуск.

Он представляет собой повторное нагревание металла с последующим медленным остыванием. Это может быть как естественный процесс (остывание на воздухе), так и окунание в воду, в закалочные масла (это зависит от вида, марки, формы стали). В некоторых случаях используют технологию попеременного окунания в разные среды: и воды, и масла. При этом чистая вода не подойдет (может спровоцировать трещины), следует добавить в нее соль, к примеру. Эта манипуляция вернет детали не только прочность, но и вязкость, снимет внутреннее напряжение в сплаве.

Для отпуска изделие нужно вновь закалить , но теперь уже не до критической температуры, а до той, которая подходит для конкретного изделия. Отпуск бывает 3 видов:

• низкотемпературный – нагрев до 250°С, что придаст детали хорошую износостойкость, однако сделает его непригодным для сильных силовых нагрузок. По сути, идеальный вариант для клинка ножа;
• среднетемпературный – температура колеблется от 350 до 500°С. Это вариант для штампов, пружин;
• высокотемпературный – от 500 до 680°С. Так нагревают детали, которые подвергаются ударным нагрузкам (валы).

Температуру вновь покажет само изделие за счет цвета побежалости (для ножа оптимально – светло-желтый). Это происходит из-за формирования окисной пленки, которую нужно счищать. После очистки от продуктов закаливания можно производить сам отпуск. В жидкости это займет пару секунд. На воздухе – пару часов.

Секреты домашней закалки стали

При самостоятельном проведении подобных манипуляций придется, прежде всего, позаботиться об источнике нагревания для стали. В «домашних» условиях удачным решением может стать:

• муфельная печь. В ней благодаря муфелю материал не соприкасается с продуктами сгорания, температура поддерживается постоянная и равномерная без каких-либо усилий со стороны, вследствие чего ковка будет произведена качественно и точно;
• паяльная лампа. Для обеспечения равномерного прогревания и выдержки придется соорудить подобие трубы, или сделать «шалаш» из кирпичей;
• горн. По типу открытого горна можно вырыть небольшое углубление в земле, обложить его кирпичами (чтобы держали температуру), развести костер и приступить к работе. В качестве топлива идеально подойдет древесный уголь;
• особые умельцы могут сделать подобие горна и на газовой плите из консервной банки. Удобней всего, если она будет соответствовать размеру клинка.

В качестве исходного материала подойдут сверла, подшипники, напильники, рессоры и даже трос. Такие, уже пользованные изделия, возможно, будут нуждаться в удалении ржавчины. Для этого можно применить болгарку.

При погружении клинка в среду с определенной критической температурой, следует позаботиться о том, чтобы под тепловое воздействие не попала рукоять ножа.

Качество закалки проверяется простым проведением по изделию напильником: недокаленный образец будет липнуть к нему, а кромка лезвия попросту погнется. Если изделие оказалось недокаленным, можно попробовать повторить - сперва отжиг, а потом закаливание, и таким образом спасти деталь.

Есть способ для верного определения момента, когда закалка изделия состоялась: металл в эту минуту начинает дрожать и испускать звуки, похожие на стон или свист.

При отпуске клинок для ножа нужно опускать только вертикально, более плотной частью вниз и слегка покачивать вдоль лезвия. Такой подход позволит минимизировать возможность деформаций.

С этапом отпуска можно справиться без каких-либо дополнительных приспособлений: достаточно обычной духовки, куда поместится деталь на пару часов с постепенным уменьшением температуры.

Помимо традиционного метода, существует масса других теорий по поводу того, как закалить металл для ножа быстро и качественно. Домашним умельцам рекомендуют сперва раскалить деталь до ярко-красного цвета, после чего несколько раз окунуть ее режущей стороной в сургуч в разных местах. Повторять процедуру до тех пор, пока клинок не перестанет входить, как в масло. После этого, сталь нужно будет смазать скипидаром. Собственно, закаленный таким образом металл ножа придется смазывать этой жидкостью после этого постоянно. В качестве эффекта от такой закалки, обещается высокая твердость и прочность изделия без трудностей, сопряженных с обычным методом отпуска (способ подойдет только для тонких клинков).

После окончания закалывания и отпуска клинка, остается только произвести его зачистку, полировку, прикрепить на уже готовую рукоять ножа из дерева, кожи, резины или металла.

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

Методика

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

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

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

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

Особенности процесса

Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

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

Оборудование и особенности проводимого процесса

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

1. электропечь;
2. паяльная лампа;
3. термопечь;
4. большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

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

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

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

Повышение твердости на открытом огне

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

Всю работу можно разделить на несколько этапов:

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

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

Одним из наиболее распространенных способов термообработки металлов является закалка стали. Именно при помощи закаливания формируются требуемые характеристики готового изделия, а ее неправильное выполнение может привести к излишней мягкости металла (непрокаливание) или к его чрезмерной хрупкости (перекаливание). В нашей статье речь пойдет о том, что такое правильная закалка и что нужно сделать, чтобы ее выполнить.

Какой бывает закалка металла

О том, что воздействие высокой температуры на металл может изменить его структуру и свойства, знали еще древние кузнецы и активно использовали это на практике. В дальнейшем уже научно было установлено, что закалка изделий, изготовленных из стали, предполагающая нагрев и последующее охлаждение металла, позволяет значительно улучшать механические характеристики готовых изделий, значительно увеличивать срок их службы и даже в итоге уменьшать их вес за счет увеличения прочности детали. Что примечательно, закалка деталей из недорогих сортов стали позволяет придать им требуемые характеристики и успешно использовать вместо более дорогостоящих сплавов.

Смысл процесса, который называется закалка изделий из стальных сплавов, заключается в нагреве металла до критической температуры и его последующем охлаждении. Основная цель, которая преследуется такой технологией термообработки, заключается в повышении твердости и прочности металла с одновременным уменьшением его пластичности.

Существуют различные виды закалки и последующего отпуска, отличающиеся режимами проведения, которые и определяют конечный результат. К режимам закалки относятся температура нагрева, время и скорость его выполнения, время выдержки детали в нагретом до заданной температуры состоянии, скорость, с которой осуществляется охлаждение.

Наиболее важным параметром при является температура нагрева, при достижении которой происходит перестройка атомной решетки. Естественно, что для сталей разных сортов значение критической температуры отличается, что зависит, в первую очередь, от уровня содержания в их составе углерода и различных примесей.

После выполнения закалки повышается как твердость, так и хрупкость стали, а на ее поверхности, потерявшей значительное количество углерода, появляется слой окалины. Толщину этого слоя обязательно следует учитывать для расчета припуска на дальнейшую обработку детали.

При выполнении закалки изделий из стальных сплавов, очень важно обеспечить заданную скорость охлаждения детали, в противном случае, уже перестроенная атомная структура металла может перейти в промежуточное состояние. Между тем, слишком быстрое охлаждение тоже нежелательно, так как оно может привести к появлению на детали трещин или к ее деформации. Для того, чтобы избежать образования таких дефектов, скорость охлаждения после падения температуры нагретого металла до 200 градусов Цельсия, несколько замедляют.

Для нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, используют камерные печи, которые могут прогреваться до 800 градусов Цельсия. Для закалки отдельных марок стали критическая температура может составлять 1250–1300 градусов Цельсия, поэтому детали из них нагреваются в печах другого типа. Удобство закалки сталей таких марок заключается в том, что изделия из них не подвержены растрескиванию при охлаждении, что исключает необходимость в их предварительном прогреве.

Очень ответственно следует подходить к закалке деталей сложной конфигурации, имеющих тонкие грани и резкие переходы. Чтобы исключить растрескивание и коробление таких деталей в процессе нагрева, его следует проводить в два этапа. На первом этапе такую деталь предварительно прогревают до 500 градусов Цельсия и лишь затем доводят температуру до критического значения.

Для качественной закалки сталей важно обеспечить не только уровень нагрева, но и его равномерность. Если деталь отличается массивностью или сложной конфигурацией, обеспечить равномерность ее нагрева можно только в несколько подходов. В таких случаях нагревание производится с двумя выдержками, которые необходимы для того, чтобы достигнутая температура равномерно распределилась по всему объему детали. Увеличивается суммарное время нагревания и в том случае, если в печь одновременно помещаются сразу несколько деталей.

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие детали из стали проходят закалку уже после того, как была выполнена их финишная обработка. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность деталей была обезуглерожена или на ней образовалась окалина. Существуют способы закалки изделий из стали, которые позволяют избежать таких проблем. Закалка, выполняемая в среде защитного газа, который нагнетается в полость нагревательной печи, может быть отнесена к наиболее передовому из таких способов. Следует иметь в виду, что используют такой метод лишь в том случае, если печь для нагрева полностью герметична.

На фото виден момент гидросбива на стане горячей прокатки — удаление окалины

Более простым способом, позволяющим избежать обезуглероживания поверхности металла при закалке, является применение чугунной стружки и отработанного карбюризатора. Для того чтобы защитить поверхность детали при нагревании, ее помещают в специальную емкость, в которую предварительно засыпаны эти компоненты. Для предотвращения попадания в такую емкость окружающего воздуха, который может вызвать процессы окисления, снаружи ее тщательно обмазывают глиной.

Если после закалки металла его охлаждают не в масле, а в соляной ванне, ее следует регулярно раскислять (не менее двух раз за смену), чтобы избежать обезуглероживания поверхности детали и появления на ней окисла. Для раскисления соляных ванн могут быть использованы борная кислота, бурая соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальный стакан с крышкой, в стенках которого имеется множество отверстий. Опускать такой стакан в соляную ванну следует очень осторожно, так как в этот момент на ее поверхности вспыхивает пламя, которое затухает через некоторое время.

Существует простой способ, позволяющий проверить качество раскисления соляной ванны. Для этого в такой ванне нескольких минут (3–5) нагревают обычное лезвие из нержавеющей стали. После соляной ванны лезвие помещают в воду для охлаждения. Если после такой процедуры лезвие не гнется, а ломается, то раскисление ванны прошло успешно.

Охлаждение стали при закалке

Основу большинства охлаждающих жидкостей, используемых при закалке изделий из сталей, составляет вода. При этом важно, чтобы такая вода не содержала в своем составе примесей солей и моющих средств, которые могут значительно повлиять на скорость охлаждения. Емкость, в которой содержится вода для закалки изделий из металла, не рекомендуется использовать в других целях. Важно также учитывать и то, что для охлаждения металла в процессе закалки, нельзя использовать проточную воду. Оптимальной для охлаждающей жидкости считается температура в 30 градусов Цельсия.

Закалка изделий из стали с использованием для их охлаждения обычной воды, имеет ряд существенных недостатков. Самый главный из них - это растрескивание и коробление деталей после их охлаждения. Как правило, таким способом охлаждения пользуются, когда выполняется цементирование металла, поверхностная закалка стали или термическая обработка деталей простой конфигурации, которые в дальнейшем будут подвергаться финишной обработке.

Для изделий сложной формы, изготовленных из конструкционных сталей, применяют другой тип охлаждающей жидкости – 50%-й раствор каустической соды, нагретый до температуры 60 градусов Цельсия. После охлаждения в таком растворе закаленная сталь приобретает светлый оттенок.

Очень важно при работе с каустической содой соблюдать технику безопасности, обязательно использовать вытяжку, размещаемую над ванной. При опускании раскаленной детали в раствор образуются пары, очень вредные для здоровья человека.

Лучшей охлаждающей жидкостью для тонкостенных деталей из углеродистых сталей и изделий, выполненных из легированных сплавов, являются минеральные масла, которые обеспечивают постоянную (изотермическую) температуру охлаждения, вне зависимости от условий окружающей среды. Главное, чего следует избегать при использовании такой технической жидкости, - это попадания в нее воды, что может привести к растрескиванию деталей в процессе их охлаждения. Однако, если в такую охлаждающую жидкость все же попала вода, ее можно легко удалить из нее, нагрев масло до температуры, превышающей температуру кипения воды.

У закалки стали с использованием масла в качестве охлаждающей жидкости есть ряд существенных недостатков, о которых обязательно стоит знать. При контакте масла с раскаленной деталью выделяются пары, вредные для человеческого здоровья, кроме того, масло в этот момент может загореться. У масляной ванны есть и такое свойство: после ее использования на детали остается налет, а сама охлаждающая жидкость со временем теряет свою эффективность.

Все эти факторы следует учитывать при выполнении закалки металлов в масляной среде и принимать следующие меры безопасности:

• погружать детали в масляную ванну при помощи щипцов с длинными ручками;
• все работы выполнять в специальной маске из закаленного стекла и в перчатках, изготовленных из толстой ткани с огнеупорными свойствами или из грубой кожи;
• надежно защищать плечи, шею, грудь рабочей одеждой, изготовленной из толстой огнеупорной ткани.

Для закалки сталей отдельных марок охлаждение осуществляют при помощи потока воздуха, создаваемого специальным компрессором. Очень важно, чтобы охлаждающий воздух был совершенно сухим, так как содержащаяся в нем влага может вызвать растрескивание поверхности металла.

Существуют способы закалки стали, при которых используют комбинированное охлаждение. К ним обращаются для охлаждения деталей из углеродистых сталей, имеющих сложный химический состав. Суть таких способов закалки заключается в том, что сначала нагретую деталь помещают в воду, где за короткое время (несколько секунд) ее температура снижается до 200 градусов, дальнейшее охлаждение детали проводят уже в масляной ванне, куда ее следует переместить очень оперативно.

Выполнение закалки и отпуска стальных деталей в домашних условиях

Термическая обработка металлических изделий, в том числе поверхностная закалка стали, не только увеличивает твердость и прочность сплава, но и значительно повышает внутренние напряжения в его структуре. Чтобы снять эти напряжения, способные в процессе эксплуатации детали привести к ее поломке, необходимо отпустить изделие из стали.

Следует иметь в виду, что такая технологическая операция приводит к некоторому снижению твердости стали, но увеличивает ее пластичность. Для выполнения отпуска, суть которого состоит в постепенном уменьшении температуры нагретой детали и ее выдерживании при определенном температурном режиме, используются печи, соляные и масляные ванны.

Температуры, при которых выполняется отпуск, отличаются для различных сортов стали. Так, отпуск быстрорежущих сплавов проводится при температуре 540 градусов Цельсия, а для сталей с твердостью на уровне HRC 59-60 достаточно и 150 градусов. Что характерно, при отпуске быстрорежущих сплавов их твердость даже возрастает, а во втором случае ее уровень понижается, но значительно повышается показатель пластичности.

Закалка и отпуск изделий из стали, в том числе и нержавеющих сортов, вполне допустима (и, более того, часто практикуется) и в домашних условиях, если в этом возникла необходимость. В таких случаях для нагрева изделий из стали можно использовать электроплиты, духовки и даже раскаленный песок. Температуры, до которых следует нагревать стальные изделия в таких случаях, можно подобрать по специальным таблицам. Перед закалкой или отпуском стальных изделий, их необходимо тщательно очистить, на их поверхности не должно содержаться грязи, следов масла и ржавчины.

После очистки изделие из стали следует нагреть так, чтобы оно равномерно раскалилось докрасна. Для того чтобы раскалить его до такого состояния, необходимо выполнять нагрев в несколько подходов. После того, как требуемое состояние достигнуто, нагреваемое изделие следует охладить в масле, а затем сразу поместить в духовку, предварительно разогретую до 200 градусов Цельсия. Затем необходимо постепенно снизить температуру в духовке, доведя ее до отметки в 80 градусов Цельсия.

Данный процесс занимает обычно час. Дальнейшее охлаждение следует проводить на открытом воздухе, исключение составляют лишь изделия из хромоникелевых сталей, для снижения температуры которых используются масляные ванны. Обусловлено это тем, что стали таких марок при медленном охлаждении могут приобрести так называемую отпускную хрупкость.

(голосов: 5 , средняя оценка: 4,20 из 5)

Термообработка металлов - это один из основных способов улучшения их механических и физико-химических характеристик: твердости, прочности и других.

Одним из видов термообработки является закалка. Она успешно применялась человеком кустарным способом еще с давних времен. В Средневековье этот способ термической обработки использовали, чтобы улучшить прочность и твердость металлических предметов быта: топоров, серпов, пил, ножей, а также боевого оружия в виде копий, сабель и других.

И сейчас используют такой способ улучшения характеристик металла, не только в промышленных масштабах, но и в домашних условиях, в основном для закалки металлических предметов быта.

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.

Как закалить металл в домашних условиях

Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.

Закалка топора на костре и в печи

Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.

На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.

Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:

1. Отжиг . Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.

А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.

Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.

2. Закалка стали . Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).

Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.

3. Отпуск лезвия топора . Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.

Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.

Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.

Закаливание ножа

Самостоятельно для закалки металлов целесообразно использовать печи. Для предметов быта в виде ножей, топоров, и других, наиболее подходящими являются муфельные печи небольшого размера. В них можно достичь температуры закалки намного выше, чем на костре и проще добиться равномерного прогрева металла.

Такую печь можно изготовить самостоятельно. В интернете можно найти множество простых вариантов ее конструкции. В таких печах можно разогреть металлическое изделие до 700-900°C.

Рассмотрим, как закалить нож из нержавейки в домашних условиях, используя муфельную электропечь. Для охлаждения вместо воды или масла используется расплавленный сургуч (можно достать в воинской части).

Закалка стали – один из наиболее важных процессов в термообработке металла, от которого напрямую зависит качество продукции. Плохая закалка может привести к излишней мягкости металла, перекаленная деталь, в свою очередь, становится очень хрупкой. Разберемся, от чего зависит правильная закалка.

1

Еще древние мастера, работавшие в кузнях, замечали, как тепловое воздействие в разной степени влияет на металл, меняя его структуру и свойства. С помощью термообработки можно улучшить механические характеристики детали, сделать ее более долговечной и даже уменьшить вес за счет увеличения прочности! Термообработка позволяет даже изготавливать качественные детали из более дешевых сплавов, улучшая их характеристики до нужной отметки. Закалка стали – процесс термообработки, в результате которого сталь нагревается до критической температуры и быстро охлаждается. Цель такой обработки – повышение твердости и прочности детали с уменьшением ее пластичности.

Для каждого вида закалки металла существует отдельный режим, определяющий исход процесса. Нужно учесть температуру нагрева, вычислить точное время и скорость нагрева, продолжительность выдержки детали при максимальном значении температуры, скорость охлаждения. На атомном уровне при достижении критической температуры перестраивается атомная решетка. Для разных марок стали существует своя критическая температура, в зависимости от уровня содержания углерода и примесей. Закалка делает металл твердым, но в то же время хрупким. Поверхность изделия теряет углероды и покрывается окалиной, поэтому очень важно учитывать припуск для дальнейшей обработки, иначе деталь в процессе закалки можно испортить.

Охлаждение детали должно проходить быстро, чтобы атомная структура не преобразовалась в промежуточные. При этом слишком быстрое охлаждение может привести к растрескиванию стали или короблению. Во избежание брака скорость охлаждения при достижении порога в 200 °С замедляют. Углеродистая сталь и изделия из нее прогреваются в камерных печах. Печь для закалки прогревается в среднем на 800 °С, хотя некоторые марки стали закаляются и при более высоких температурных режимах (1250–1300 °С). Эти марки не подвержены растрескиванию, поэтому в предварительном подогреве они не нуждаются. Сложные детали, которые имеют резкие переходы или тонкие грани, предварительно подогревают в отдельных печах или соляных ваннах. Температура подогрева – до 500 °С.

Очень важно обеспечить равномерный нагрев всего изделия. Часто это сделать невозможно за один подход, поэтому могут быть проделаны две выдержки. Если прогреваются несколько изделий, время увеличивается, если одно – то уменьшается. Например, одну дисковую фрезу (24 мм) будут прогревать 10–13 минут, тогда как десяток таких изделий, помещенных в печь вместе, нужно выдержать все 15–18 минут.

2

Изделия из стали могут закаливаться уже после финишной обработки, поэтому выгорание углерода и образование слоя окалины в таких случаях неприемлемо. В таком случае поверхность изделия оберегают с помощью специальных защитных газов, которые подаются в полость электропечи во время закаливания. Таким приемом возможно воспользоваться только в случае использования загерметизированных печей и достижения стабильной температуры закалки стали, иначе это становится небезопасным, поскольку генераторы защитного газа работают на углеводородных источниках, таких как метан и аммиак.

От обезуглероживания древесный уголь не защищает, а вот чугунная стружка и отработанный карбюризатор с этой задачей справятся. Применяют их в тех случаях, когда нет возможности создать защитную атмосферу. Изделия упаковывают в тару с этими компонентами и обмазывают глиной, чтобы внутрь не попадал воздух. Если металл закаляют в соляных ваннах, то ванны следует во избежание обезуглероживания раскислять не менее двух раз в течение рабочей смены борной кислотой или бурой солью, также помогает древесный уголь. В последнем случае материалом заполняют так называемый стакан, в стенках которого множество отверстий. Стакан закрывают крышкой и опускают на дно соляной ванны. При этом появляется большое количество пламени, но со временем оно затухает. В течение смены достаточно трижды раскислять ванну таким способом, чтобы избежать обезуглероживания изделий.

Удачный итог раскисления соляной ванны проверить достаточно просто. Для этого в ванну на 5–7 минут погружают обычное лезвие, после чего закаляют в воде. Если оно ломается, а не гнется под механическим воздействием, то соляную ванную удалось качественно раскислить.

3

В качестве основы для охлаждающих жидкостей используют воду. Это должна быть чистая вода без примесей соли или мыла, поскольку даже их небольшое содержание может изменить скорость охлаждения. Закалочный бак недопустимо использовать в посторонних целях, как недопустимо и охлаждать изделие под проточной водой. Оптимальной температурой охлаждающей жидкости считается 30 °С.

Водяная закалка имеет ряд недостатков. Главный минус – образование трещин и коробление металла, поэтому таким способом пользуются только при изготовлении цементированных изделий или изделий несложной формы, которые будут проходить финишную обработку.

Изделия более сложной формы из конструкционной стали охлаждаются в растворе каустической соды (50 %), который подогревают до 60 °С.

Детали, закаленные в таком растворе, имеют характерный светлый оттенок. Закалочная ванна на основе каустической соды обязательно должна быть оборудована вытяжкой, поскольку пары, образующиеся при контакте раскаленного металла и каустика, вредны для человеческого организма.

Минеральные масла – наиболее подходящая охлаждающая среда для изделий из легированной стали, как и для тонких изделий из углеродистой стали. Преимущество таких ванн состоит в том, что независимо от температуры среды скорость охлаждения не меняется. Что при температуре 30 °С, что при температуре 100 °С она будет одинакова. Главное, не допустить попадания воды в такую среду, поскольку эту приводит к растрескиванию поверхности изделия. Избежать этого можно, нагрев масло до температуры выше температуры кипения воды. Однако при использовании масляной ванны следует помнить и о недостатках данного способа. В частности, при закалке выделяются вредные газы, на изделии образуется налет, а сама среда имеет склонность к возгоранию. К тому же, со временем масло теряет закаливающие способности. Конечно же, при работе важно не забывать о безопасности – для погружения детали в охлаждающий раствор используют специальные щипцы с очень длинными ручками, руки защищают перчатки из очень толстой огнеупорной ткани или кожи, а лицо закрывает маска из закаленного стекла. Плечи, шею и грудь скрывают за кожанной или толстотканной одеждой.

Некоторые стали охлаждают потоком воздуха, который подается компрессором. Главное – не допустить попадания влаги в поток, иначе это может вызвать образование трещин. Существует и ступенчатая закалка, которая выполняется поэтапно: сначала деталь нагревается в горячем масле, затем в расплавленных солях. Еще один вид закалки – прерывистая, – используется для охлаждения сложных углеродистых сталей и деталей, производимых из этого материала. Сначала раскаленную сталь погружают в воду пока деталь не охладится до 200 °С. Длится это всего несколько секунд, если передержать изделие, оно покроется трещинами. Из воды в масло деталь стараются перенести как можно быстрее.

4

Отпуск стали – обязательное мероприятие для снятия внутренних напряжений металла. В результате несколько ухудшается твердость, но повышается пластичность. Отпуск проводится как в печах, так и в масляных и щелочных ваннах. Суть отпуска – в постепенном уменьшении температурного режима и выдерживании детали в определенной температурной среде.

Для разных марок стали существуют свои температурные режимы. Например, быстрорежущая сталь отпускается при 540 °С, тогда как изделия с твердостью HRC 59–60 отпускаются всего при 150 °С. В первом случае твердость даже повышается, во втором незначительно понижается, но изделие приобретает существенную пластичность.

Закалять и проводить отпуск можно и в домашних условиях. Для этого вполне достаточно подручных средств – электроплит, печей. Температура закалки стали не обязательно должна достигать нескольких сот градусов – даже горячий песок способен уменьшить внутреннее давление металла. Изделие перед закалкой обязательно следует очистить от посторонних материалов, например, масла или грязи. Затем нагреть докрасна, проследив, чтобы деталь нагрелась равномерно. Прогревать деталь нужно в несколько подходов, а затем охладить ее в масле и поместить в духовку, где довести температуру воздуха до 200 °С, а затем постепенно уменьшать ее до 80 °С. Длится такая процедура около часа. Охлаждают сталь как правило на воздухе, однако хромоникелевые марки следует охлаждать в масляных ваннах, поскольку они при длительном охлаждении приобретают хрупкость.