что такое закаливание стали
Закалка и отпуск стали. Цвета каления и побежалости
Возможно, вам не раз приходилось слышать эти термины, когда речь шла о кованых ножах, да и вообще о сталях. Настало время разобраться, что же они означают.
Закалка, по своей сути – это нагрев готового изделия до определенной температуры с последующим охлаждением с определенной скоростью, а отпуск – это следующий за закалкой дополнительный нагрев до более низких температур с иных режимом охлаждения; каким именно, зависит от марки стали. Скорость регулируется т.н. «закалочной средой» – жидкостью, в которой клинок охлаждается с определенной скоростью: машинное масло, солевые растворы, поток воздуха с и т.п. Например, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода.
Чтобы перейти к конкретным цифрам, нужно понять, зачем вообще нужны эти два процесса.
Что улучшает правильная закалка стали
Если спросить среднестатистического человека, который не имеет отношения к ковке ножей, на вопрос «Что дает закалка?» он первым делом скажет о прочности. В целом, он будет прав, хотя из нескольких качеств, которые улучшает закалка, лидировать будет все-таки твердость. Но обо всем по порядку.
Как делают закалку и отпуск
После того, как заготовке клинка придали необходимую форму, ее закаляют. Конечно, все очень индивидуально для разных марок сталей, для конкретных изделий, но в среднем мастера называют температурой нагрева под закалку около 700–800 градусов Цельсия. Оптимальный цвет изделия в таком случае будет алым или вишневым. Если краснота уходит, уступая место оранжевым и желтым оттенкам, температура, скорее всего, перевалила за отметку 1 100 градусов – это для большинства сталей уже многовато. Белый цвет говорит о том, что температура достигла как минимум 1 300 градусов, и для закалки она не подходит – при ней произойдет перекал; в этом случае вернуть стали прочность будет невозможно.
Именно эти цвета и называются цветами каления. Мы встретимся с ними еще раз – когда будем рассматривать отпуск.
Цвета каления показывают нам температуру, которой достигла заготовка. Их не следует путать с цветами побежалости – оттенками окислов
Когда клинок закален, он приобретает высокую твердость, но теряет при этом в прочности. Теперь прочность необходимо вернуть: этой цели и служит отпуск. Отпуск, как мы помним, это повторное нагревание до более низких температур с последующим охлаждением; добавим к этому, что между повторными нагреваниями следует и полное остывание клинка – естественным путем или же путем охлаждения его в солевом растворе или масле. Температуру нагрева для отпуска выбираем следующим образом.
Нужную температуру снова покажут цвета каления: оптимальным в данном случае (для ножа) будет светло-желтый цвет.
После каждого этапа, на котором появляются продукты окисла (цвета побежалости), изделие следует охлаждать в соленой воде или масле. В чистой воде заготовку не следует охлаждать ни после закаливания, ни во время отпуска – из-за слишком высокой скорости охлаждения изделие может дать трещины. Ни вода, ни масло полностью не соответствуют необходимым требованиям к закалке углеродной стали: быстрое охлаждение до 550 °С и более медленное с 300 °С до 200 °С. Поэтому воду используют в комбинации с маслом: сперва в воду, а потом в масло. Такой способ применяют на инструментальных сталях и именуют «в масло через воду». А вот легированные стали можно закалять только в масле.
Цвета побежалости на клинке коллекционного ножа «Зомби»– неудаленные после отпуска окислы
Выбор стали для закалки
Для начала условно разделим все стали на высокоуглеродистые и легированные. Все стали – это сплавы железа с углеродом и различными легирующими элементами; от того, преобладает ли в ней один углерод или в значительном количестве присутствуют и легирующие элементы, и будет зависеть название стали. Нельзя сказать, что та или иная группа хуже или лучше поддается закалке; у них изначально очень разные характеристики и разные задачи, поэтому мы просто расскажем о закаливании тех и других сталей.
Закалка углеродистых сталей
С этой сталью, как и с изделиями из нее, накоплен огромный опыт работы. Сама по себе она требует меньших температур закалки, чем легированная различными элементами – у нее и без этого довольно высокие показатели твердости и прочности, которые так ценятся на рынке.
Нужно помнить, что стали с совсем низким содержанием углерода закалке вообще не поддаются.
Если мы желаем изготавливать и закалять в домашних условиях клинок из углеродистых сталей, нам подойдут следующие марки.
Эти марки при правильной термообработке характеризуются большой прочностью и твердостью, хотя и низкой устойчивостью к коррозии.
Закалка легированных сталей
Помимо железа и углерода в таких сталях содержится значительное количество различных легирующих элементов, которые придают сплаву особые свойства, нужные в той или иной сфере.
Ввиду наличия в сплаве этих элементов сталь обладает худшей теплопроводностью, чем чистая углеродистая, поэтому: 1) для нагрева и охлаждения ей понадобится больше времени – если ускорять процесс искусственно, то по сплаву могут пойти трещины; 2) для закалки ей нужна большая температура – от 850 до 1 100 °С.
К сожалению, правильная термообработка сложнолегированных сталей достаточно трудна, так как для придания клинку высоких рабочих свойств нужны и точная температура, и специальное оборудование для глубокого охлаждения. Поэтому закалить их качественно «на глазок» не получится.
К наиболее распространенным маркам относятся следующие:
О последнем образце можно сказать, что он исключительно износостоек.
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.
Закалка металла – что это?
Череповецкий завод металлоконструкций предлагает услуги по обработке металла. Мы можем выполнить его закалку с помощью современного оборудования и квалифицированных специалистов.
Что называют закалкой стали? Это нагревание металла до специального уровня температуры, при котором изменяется его структура, и последующее остывание на открытом пространстве или в какой-либо жидкости (воде или масле). К данной процедуре прибегают для повышения твердости стали. В условиях производства температура закалки определяется по диаграмме «железо-углерод».
Обработка применяется для:
Отпуск и старение металла
При помощи закалки стали повышается хрупкость изделия и его твердость. Отпуск металла – это еще одна необходимая процедура, в ходе которой он становится более пластичным, но при этом его прочность и твердость немного снижаются. Отпуск проводят постепенно и при более низком температурном режиме.
Отпуск – это разновидность термической обработки, которая применяется для изделий, закаленных до критической точки, в процессе которой происходит изменение структуры стали. Как происходит данный процесс: металл выдерживается в нагретом состоянии определенный промежуток времени, а затем медленно остывает на открытом воздухе. Отпуск осуществляют для сокращения внутреннего напряжения, увеличения пластичности металла и предотвращение его хрупкости.
Если проводить закалку стали без изменения его кристаллической решетки, то вы сможете предотвратить хрупкость металла, однако также получите проблемы с его твердостью. Повысить твердость изделия можно при помощи еще одного процесса термической обработки – старения металла, в ходе которого происходит распад пересыщенного твердого раствора.
С помощью старения достигается необходимая твердость и прочность закаленного металла. Старение бывает трех видов:
Способы закалки
По уровню применения температуры закалка делится на полную и неполную. Первый способ подходит для инструментальной стали, а второй – для цветной.
Способ термообработки также зависит от количества используемых охладителей. По типу охлаждающей среды термическая обработка бывает:
Закалка в одном охладителе
Данный вид термической обработки применяется для простых деталей, которые были изготовлены из углеродистой и легированной стали. В процессе закалки изделие сначала нагревается до нужной температуры, а затем охлаждается в жидкости. Сталь с высоким содержанием углерода диаметром от 2 до 5 мм достаточно охладить в воде, а легированную сталь и изделия меньшего размера – нужно охладить в масле.
Закалка с подстуживанием
Термообработка с одним охладителем может привести к термическому и структурному внутреннему напряжению. Это происходит в случае достижения минимума в разности температур. Напряжение растяжения образуется на поверхности стали, а напряжение сжатия – в центре. Чтобы уменьшить его, деталь держат на открытом воздухе немного времени.
Прерывистая
Данный вид закалки проводится в воде и масле или воде и воздухе. Изделие сначала нагревают до критической точки, затем быстро охлаждают в воде, а потом медленно – в маске или на открытом воздухе. Такой способ применяют для стали с высоким содержанием углерода. Прерывистая закалка относится к сложным методам, так как оптимальное время нахождение в воде сможет определить лишь специалист с большим опытом работы.
Ступенчатая
Прерывистая термическая обработка охлаждает деталь неравномерно: более тонкие поверхности охлаждаются быстрее. К тому же в этом случае очень сложно рассчитать время охлаждения в воде. Это проблемы решает ступенчатая закалка.
Такой метод закалки выполняется в несколько этапов. Первая ступень заключается в охлаждении и выдержки изделия в воде до тех пор, пока все сечения не будут одинаковой температуры. Второй этап – это завершающее охлаждение в медленном темпе.
Изотермическая
При данном виде термообработки нагревают для критической точки, а затем опускают в ванну с солью или маслом с температурой в 250 градусов. Сталь нужно выдержать в ванночке в течение 30 минут, а затем остудить на открытом воздухе. Такой вид закалки обеспечивает высокую прочность металла при хорошей вязкости.
Температурный режим
Для выбора температурного режима для закалки металла используют диаграмму «железо-углерод». Для стали с высоким содержанием углерода определить температуру очень просто. Нагрев конструкционной стали (с углеродом – менее 0,8%) необходимо нагреть до температуры над линией GS и на 30-50 градусов выше точки Ac3. Для материала с углеродом больше 0,8% оптимальная температура – на 30-50 градусов выше линии PSK.
Температурный режим для легированной стали выбирают в соответствии с критическими точками, но этот процесс считается более сложным из-за содержания в металле других компонентов.
Выбор охлаждающей среды
От выбора охлаждающей среды зависит будущее качество вашей детали:
Сталь с углеродом, которая имеет сложный состав, остужают в двух видах охладителей – сначала в воде, а затем в масляной ванне. Перемещать изделия из одной среды в другую нужно с максимальной скоростью.
Какую сталь подвергают закалке
Термообработке подвергают сталь, в которой содержание углерода не меньше 0,45%, а также инструментальную и легированную. У этих видов металла твердость увеличивается в несколько раз после процедуры закалки. Сталь с содержанием углерода не превышает 0,45% не подвергается термической обработке.
Какие дефекты могут возникать при закалке металла
Если не соблюдать рекомендуемые режимы при осуществлении закалки, могут проявиться следующие дефекты:
Закалка стали в условиях дома или дачи
Конечно, лучший результат от закалки получится, если она осуществляется профессионалами с большим опытом работы и в производственных условиях. Бывает такое, что вы приобрели инструмент, но он оказался недокаленным или незакаленным. В этих случаях прибегают к закалке в бытовых условиях. Этому процессу легко научиться. Осуществлять закалку можно на простом костре. Достаточно соблюдать следующую последовательность действий:
Изделия вытянутой формы необходимо поместить в форму вертикально. Для того чтобы определить оптимальную температуру в домашних условиях, можно воспользоваться специальной таблицей цветов. Вместо костра можно использовать простую печку.
Отпуск металла в духовке
Если есть такая необходимость, вы можете подвергнуть предмет отпуску в духовке. Поместите изделие в духовой шкаф, нагретый до 300-320 градусов и оставить там на 1 час. Далее деталь нужно вынуть и остудить на открытом воздухе.
Проверка металла на наличие термообработки
Перед процедурой закалки необходимо убедиться, что купленная нами сталь не подвергалась ранее термической обработке. Проверить это можно при помощи обычного паяльника. Инструмент нужно нагреть и провести им по металлическому изделию. Если он прилипает к металлу, то изделие не подвергалось термообработке. Если паяльник плавно проходит по поверхности или резко от нее отскакивает, то металлический предмет хорошо или слишком сильно обработан под воздействием высоких температур. Если следов термообработки не обнаружено, необходимо сделать ее самостоятельно.
Закалка ножа графитом
Термическая обработка при помощи графита полезна в том случае, если закалка требуется только для части предмета, а не для целого. У ножа этой частью является кромка.
Закалку ножа при помощи графита можно осуществлять в следующей последовательности:
Закалку гораздо проще и эффективнее осуществлять в условиях производства, чем в домашних. Вы также можете обработать металлическое изделие «топорными» методами с применением подручных средств.
Заказать закалку стали в ЧЗМК
Череповецкий завод работает для вас более 55 лет. Мы занимаемся изготовлением конструкций из металла, а также оказываем различные услуги по обработке стали. Наши квалифицированные специалисты выполняют работу качественно, в собственных цехах и на современном оборудовании.
Заказывая закалку стали у нас, вы можете не беспокоиться о качестве и результате. За процессом работы наши клиенты наблюдают с помощью онлайн-трансляции, а на все услуги у нас действует гарантия сроком от 12 до 24 месяцев.
Мы доставляем заказы во все регионы России и предлагаем удобные способы оплаты. Заплатить вы сможете наличным или безналичным расчетом.
Для получения консультации или оформления заказа звоните нам или оставляйте онлайн-заявку на сайте. Наши опытные менеджеры всегда рады помочь вам.
Особенности закалки стали
Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.
Закалка стали
Что такое закалка металла?
Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:
В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.
По глубине обработки закалка делится на два вида:
В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.
Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.
Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.
Какие стали можно закаливать?
При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.
Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.
Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.
Температура и скорость нагрева
Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.
Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.
Свойства стали после закалки
После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:
На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.
Виды закалки стали
Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.
Закаливание в одной среде
При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.
Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.
Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.
При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.
Ступенчатая закалка
Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.
Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.
Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.
Изотермическая закалка
Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:
После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.
Изотермическая закалка
Светлая закалка
Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.
В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.
Закалка с самоотпуском
При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.
Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.
Способы охлаждения при закаливании
Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.
Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.
В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.
Как закалить сталь в домашних условиях
Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:
Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.
Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.
Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.
Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.
При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.
Оборудование
Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.
Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.
Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.
Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.
Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:
Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.
Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла
Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:
Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.
Дефекты при закаливании стали
При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:
Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.
К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.
Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.