Как отпустить инструментальную сталь
Суть отпуска стали и его виды: физика процесса, температурные диапазоны и особенности применения. Низкий, высокий и средний отпуск. Отпускная хрупкость, и как ее избежать. Самостоятельный отпуск стали в домашних условиях.
Отпуск стали является заключительной стадией термообработки и используется для снижения избыточной твердости, уменьшения хрупкости и устранения внутренних напряжений металла. Чаще всего его применяют к углеродистым сталям, подвергнутым закалке на мартенсит, т. е. нагретым немного выше 727 ºC и охлажденным с высокой скоростью в водной среде.
Обычно стальные изделия отпускают при температурах, которые в несколько раз ниже температуры закалки, сохраняя при этом мартенситовую структуру, обеспечивающую твердость металла. Такой термообработке в основном подвергают режущий инструмент и другие изделия из инструментальных сталей.
Однако, существуют виды отпуска с нагревом, близким к закалочному (на троостит и на перлит), после которых металл приобретает требуемую упругость и у него повышается ударная вязкость. Легирующие добавки замедляют процесс формирования необходимой структуры, поэтому детали из легированных сталей отпускаются при более высоких температурах.
Традиционная технология отпуска — это нагревание изделия до нормативного значения с охлаждением его на открытом воздухе, хотя некоторые виды стальных изделий отпускают в масляных или расплавных средах. Отпускать можно как все изделие, так и его часть. Например, у ножей подвергают отпуску только обушок и рукоятку, сохраняя при этом полную закалку лезвия.
Что такое отпуск стали
Отпуском металла называют один из видов термической обработки, при которой сохраняется его фазовое состояние, но при этом корректируется ряд закалочных характеристик. В первую очередь при отпуске резко уменьшается напряжение внутренней структуры, которое возникает в результате деформаций кристаллической решетки при закалке.
Кроме того, снижается жесткость и хрупкость, что является следствием насыщения игольчатых элементов мартенсита ферритом и образования перлитовых зерен (см. рис. ниже). Такая структура сохраняет свойства закаленного металла, но вместе с тем становится более пластичной и вязкой.
У легированных сталей все эти процессы протекают с некоторыми отличиями, которые связаны с тем, что легирующие элементы в определенных условиях становятся центрами кристаллизации и таким образом изменяют физико-химические характеристики металла.
Стальные изделия отпускают путем их нагрева до заданного значения с последующим медленным охлаждением на открытом воздухе или в специальной среде. От температуры разогрева напрямую зависит фазовое состояние и структура металла, образующиеся после отпускания, а следовательно, и его физические характеристики.
В целом соблюдается правило: чем выше температура, тем ниже хрупкость и твердость и выше гибкость и вязкость. В зависимости от используемых температурных диапазонов выделяют три основных вида отпуска стали: низкий, средний и высокий, пределами нагревания которых являются, соответственно, 300 ºC, 450 ºC и 650 ºC. Первый вид характеризуется самой высокой твердостью, а последний — самой большой ударной вязкостью.
Температуры нагрева при отпуске сталей напрямую зависят от их химического состава, т. к. легирующие добавки оказывают значительное влияние на процесс формирования структурных элементов. Обычно это связано с замедлением распада мартенсита, что требует повышения температурных режимов.
Кроме того, при отпуске высоколегированных сталей могут присутствовать такие явления, как увеличение жесткости, связанное с образованием троостита, и возникновение отпускной хрупкости.
Низкий отпуск
Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу.
При 120÷150 ºC изменения твердости не происходит, а только снижаются остаточные напряжения. Для ее уменьшения изделие необходимо нагреть как минимум до 200 ºC и выдерживать в этих условиях не менее одного часа. В интервале от 200 ºC до 300 ºC начинается формирование мартенсита отпуска и происходит уменьшение твердости с одновременным увеличением вязкости стали.
В некоторых случаях в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение вязкости, которое называют отпускной хрупкостью. Последствия этого явления устраняются дополнительной термообработкой. Кроме инструментальных, низкий отпуск с нагреванием до 250 ºC применяется и для конструкционных сталей, поверхность которых была подвергнута термохимической обработке.
Средний отпуск
Средний отпуск предназначен для термообработки стальных изделий, которые должны сочетать в себе повышенную прочность и упругость с заданными параметрами вязкости. Как правило, таким способом отпускают рессорные и пружинные стали, работающие в режиме переменных динамических нагрузок.
Температурный диапазон в этом случае составляет от 300 ºC до 450 ºC, а твердость снижается до 45÷50 HRC против 60÷63 при низкотемпературном отпуске. После такой термообработки сталь приобретает трооститную структуру. Выдержка при нагреве при среднем отпуске может составлять до нескольких часов, а охлаждение проводится естественным путем на спокойном воздухе.
Высокий отпуск
Высокий отпуск проводится в температурном диапазоне, приближенном к критической точке: от 450 ºC до 650 ºC. После такой термообработки сталь становится пластичной, у нее повышается относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость.
Это связано с тем, что металл приобретает структуру сорбита отпуска и у него на 95 % снижаются внутренние напряжения. Таким способом отпускают изделия, работающие в условиях ударных нагрузок: валы, оси, шатуны, детали прессов и кузнечных молотов.
Если же сталь отпускать при 690 ºC, то в ее структуре будет превалировать зернистый перлит, а сама она будет иметь максимальную пластичность и минимальную прочность. У некоторых ванадиевых, хромовых и вольфрамовых сталей при отпускании с нагреванием до 560 ºC может происходить образование троостита, что ведет к повышению твердости (т. н. вторичная твердость).
Отпускная хрупкость
Практически для всех сталей действует стандартная зависимость: чем выше температура нагрева при отпуске, тем больше пластичность и вязкость отпущенного изделия. Однако у некоторых марок при повышении температуры наблюдается снижение этих физических характеристик и увеличение жесткости и хрупкости.
Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода (см. рис. ниже).
Первая характерна для углеродистых сталей, и избавиться от нее можно, снова нагрев деталь немного выше 400 ºC. Повторно она, как правило, не проявляется, но при этом у металла наблюдается некоторое снижение твердости. Отпускная хрупкость II рода может возникать у легированных сталей, которые после нагрева до указанного интервала подвергаются медленному охлаждению.
Для нейтрализации этой проблемы обычно повышают скорость охлаждения, при этом повторный нагрев изделия может снова вызвать возникновение такой хрупкости. Еще один способ, позволяющий избавиться от этого явления, — введение в состав сталей небольших количеств молибдена или вольфрама.
Для отпуска крупногабаритных деталей он предпочтительнее, т. к. большая скорость охлаждения может вызвать их деформацию и возникновение чрезмерных внутренних напряжений.
Как отпустить сталь самостоятельно
Для того чтобы отпустить сталь в домашних условиях с целью снятия внутреннего напряжения, ее марку знать необязательно — достаточно нагрева до температуры не выше 200 ºC и выдержки в этих условиях не менее часа. Если же планируется отпустить стальное изделие для снижения твердости и повышения вязкости, то для определения температурных режимов отпуска знание марки стали необходимо.
На самом деле это не такая сложная задача, как может показаться. В учебниках по термообработке и на интернет-сайтах достаточно таблиц с перечнями изделий и марками стали, из которых они изготавливаются, а часто даже и с температурными режимами их закалки и отпуска (см. таблицу выше).
Для нагрева своей детали можно использовать практически любой источник тепла: от духовки кухонной плиты до газовой горелки или самодельного горна. Важным моментом является температура разогрева. В принципе, ее можно определить по цветовым таблицам побежалости, появляющейся на горячем металле, которые также легко найти в интернете.
Это старинный проверенный метод, известный еще с древних времен, но он требует некоторого опыта, т. к. его главные недостатки — это субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешнего освещения. Для новичка лучшим решением будет использование терморегулятора плиты или обычного мультиметра с термопарой.
Приходилось ли кому-нибудь использовать мультиметр с термопарой для замера температуры отпуска? Насколько точен этот прибор и как соответствуют его показания цвету побежалости? Если кто-нибудь имеет такой опыт, напишите, пожалуйста, ваше мнение в комментариях.
Основные нюансы при закалке нержавейки
Основы закалки нержавеющей стали: выбор температурных режимов, основные этапы и важные особенности. Необходимое оборудование, материалы и инструмент. Как закалить нержавейку в домашних условиях.
Закалка нержавеющей стали отличается от закалки нелегированных сталей более высокой температурой, временем выдержки, а также скоростью разогрева и охлаждения. Это вызвано тем, что легирующие компоненты изменяют критическую (аустенитную) точку нагрева и снижают теплопроводность металла.
Для того чтобы закалить коррозионностойкую сталь (нержавейку), ее необходимо нагреть до температуры не менее тысячи градусов, а затем охладить в масляной среде. Известно, что для успешной закалки обычной стали нужно, чтобы содержание в ней углерода было не менее 0.4 %.
Это не относится к нержавейке, т. к. легирующие добавки дают возможность закалить ее при более низком содержании углерода. У народных умельцев, изготавливающих ножи и режущий инструмент, самой популярной является отечественная нержавейка марки 40X13 (и ее аналоги), которая содержит 0.35÷0.45 % углерода и около 12÷14 % хрома.
Она доступна, хорошо обрабатывается, и ее можно закалять практически в любых условиях. Для того чтобы закалить свои изделия из нержавейки, домашние мастера, как правило, используют самодельное оборудование, подручные средства и недорогие материалы, а температурные режимы подбирают «на глазок».
Основные этапы процессы каления
Для закалки нержавейки желательно знать ее точную марку, или, по крайней мере, к какому из типов по углероду она относится (больше или меньше 0.4 %). Это очень важно, поскольку для того, чтобы правильно закалить изделие, после самой закалки его необходимо еще и отпустить.
Марку фабричной нержавейки можно узнать у продавца заготовки, который также может посоветовать, как лучше ее закалить. Если же в качестве исходного материала используется какая-нибудь старая вещь, то на помощь придет интернет с таблицами изделий и марками сталей, из которых они изготовлены.
В общем случае полный цикл термообработки детали из нержавейки включает в себя следующие этапы:
- Подготовка оборудования, инструмента и материалов. Сюда входит проверка топлива (уголь или газ), которого должно хватить на весь цикл разогрева. Ведь для того чтобы качественно закалить нержавейку, ее следует нагревать плавно и без перерывов.
- Разогрев горна или печки. Если для того, чтобы закалить деталь, используется газопламенный нагрев, выполняется установка заготовки из нержавейки и включение газовой горелки.
- Размещение заготовки. Нередко требуется закалить только какую-то часть будущего изделия, поэтому его следует разместить так, чтобы эта часть находилась в зоне максимальной температуры.
- Нагревание до требуемой температуры. Изделие удерживают в высокотемпературной зоне, контролируя его нагрев по цвету. Для того чтобы закалить хромистую нержавейку, ее необходимо нагреть до 1050 ºC. Это соответствует цвету, который в таблицах определяют как оранжевый или темно-желтый.
- Охлаждение. После того как нагретый металл приобрел требуемый цвет, деталь охлаждают, опуская в емкость с минеральным маслом. Оно может воспламениться, поэтому рядом с емкостью следует держать кусок плотной ткани.
- Очистка. После охлаждения в масле нержавейку следует тщательно очистить. При сильном загрязнении можно использовать растворитель.
- Отпуск. Чтобы закалить свою деталь «по науке», после нагревания и охлаждения ее следует отпустить. Для сталей с содержанием углерода 0.4 % и более температура отпуска составляет 200÷250 ºC (см. табл. ниже), поэтому их достаточно на пару часов поместить в обычную кухонную духовку. При меньшем содержании углерода температура отпуска значительно выше, до 700÷750 ºC, и он выполняется с постепенным остужением на воздухе или в сухом песке.
Особое внимание следует обратить на спецодежду и все необходимое для соблюдения пожарной безопасности, особенно в процессе охлаждения детали в масле.
Что потребуется для работы
Для закалки нержавеющей стали в первую очередь нужно решить вопрос с источником нагрева. В бытовых условиях закалить нержавейку можно, нагревая ее с помощью горна, камерной печи или открытого пламени.
Если требуется качественно закалить длинномерное изделие, то лучше использовать первые два варианта, т. к. в этом случае прогревается одновременно весь объем нержавейки. При газопламенной закалке нагревание происходит путем перемещения узкой зоны нагрева вдоль изделия, поэтому качество может быть ниже.
Но этот способ хорошо подходит для разовых работ. Если же необходимо закалить большое количество изделий из нержавейки или такую работу предполагается выполнять постоянно, то лучше потратить некоторое время и усилия на изготовление небольшой камерной печи (см. фото ниже) или соорудить импровизированный кузнечный горн.
С помощью такой печки можно разогреть до нужной температуры и закалить изделия не только из нержавейки, но и из жаропрочных сталей. В качестве огнеупорного материала здесь использован шамотный кирпич типа ШБ, а нагрев выполняется пламенем газовой горелки, направленным во внутреннюю камеру.
Если же нет желания делать стационарное термическое оборудование, но при этом возникла потребность закалить деталь из нержавейки длиной до 30÷40 см, то вполне можно обойтись простейшим кузнечным горном, согнутым из листа стали (см. фото ниже).
В качестве топлива здесь используется обычный древесный уголь для шашлыков, а наддув осуществляется снизу с помощью строительного фена.
Для того чтобы качественно закалить заготовку из нержавейки с медленным остыванием, потребуется несколько литров минерального масла в жестяной емкости. Подойдет любое автомобильное или индустриальное масло, даже моторная отработка.
Главным инструментом при термообработке являются обычные или зажимные клещи. Кроме того, потребуются плотные негорючие перчатки или рукавицы и такая же спецодежда или кузнечный передник. Все работы следует выполнять либо на открытом воздухе, либо в хорошо проветриваемом помещении, вдали от горючих материалов.
Технология домашнего каления нержавейки
На самом деле закалить заготовку для будущего изделия из нержавейки (ножа или инструмента) не так уж и сложно. Для этого достаточно разобраться с температурными режимами и следовать всем рекомендациям. Однако термообработка относится к производству повышенной опасности.
Поэтому для закалки нержавеющей стали в домашних условиях прежде всего нужно определиться с организацией места проведения работ. Чтобы качественно закалить нержавейку и при этом не нанести ущерба помещению и собственному здоровью, необходимо соблюдать некоторые условия.
Во-первых, все источники нагрева должны быть безопасны, устойчивы и надежно защищены от случайного контакта с нагретыми элементами. Во-вторых, закалочные жидкости должны находиться в надежных емкостях и располагаться в стороне от нагревательного оборудования.
Если требуется закалить длинномерное изделие из нержавейки, следует использовать емкости, позволяющие полностью погрузить его в закалочную жидкость с одного раза. В-третьих, место работ должно быть достаточно просторным для перемещений и проветриваемым от дыма и газов.
Выбор температурного режима
Чтобы правильно закалить свою деталь из нержавейки, в первую очередь необходимо соблюдать требования температурных режимов для стали, из которой она изготовлена. Практически все хромистые коррозионностойкие стали при закалке разогреваются немногим выше тысячи градусов.
Для нержавейки это является точкой устойчивого формирования аустенита — твердого раствора углерода в железе. Закалить нержавеющую сталь — это значит быстро охладить такую структуру, не дав ее атомам вернуться в исходное (до нагрева) состояние.
Поэтому важны как температура разогрева и время выдержки в нагретом состоянии, так и скорость охлаждения, которая для нержавейки не должна быть слишком большой. Замедление процесса остывания достигается охлаждением изделия в масле, которое имеет низкую теплопроводность.
Если закалить деталь в воде, то она будет очень хрупкой и почти наверняка покроется микротрещинами. Продвинутые народные умельцы измеряют температуру нагрева с помощью термодатчиков, а в бытовых условиях ее определяют по цвету металла. Точные температурные режимы для каждой марки нержавейки можно найти в технологических справочниках.
Процесс каления пошагово
Чтобы закалить небольшое изделие из нержавейки в домашних условиях без использования печей или горнов, достаточно нагреть его горелкой или на газовой плите, определяя температуру по цвету металла. После этого оно остужается в масле, очищается и подвергается отпуску, для которого вполне подойдет духовка газовой плиты.
Если требуется закалить заготовку из нержавейки в изотермическом режиме (на производстве это делается поддержанием нагрева в соляном расплаве), то можно поместить ее после разогрева на газу в сухой песок. В этом случае температура остывания контролируется по цвету побежалости.
Чтобы правильно закалить нержавейку, нужно знать ее марку. Нередко встречается утверждение, что тип нержавейки достаточно точно определяется по цвету искр на точильном камне. А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь, пожалуйста, своим мнением в комментариях.
3 способа самостоятельной закалки металла
Расскажем о трех способах закалки металла в домашних условиях, охлаждении и контроле качества. Как правильно провести закалку стали в масле и на открытом огне. Какое масло выбрать. Особенности закалки алюминия и меди.
Как можно закалить металл в домашних условиях, наверное, знает каждый мастер, работающий со слесарным или столярным инструментом. Считается, что для этого достаточно разогреть изделие докрасна, а затем охладить его в емкости с водой
Однако в домашней мастерской этим способом можно получить только твердый и хрупкий металл, который вполне подходит для стамесок и ножей, но непригоден для молотков, кернеров или зубил. Режимы термообработки зависят от марки стали и требуемых параметров изделия после закалки, а к ним относятся не только твердость, но и прочность, износостойкость, пластичность и вязкость.
В домашних мастерских, как правило, отсутствуют измерительные приборы, с помощью которых можно узнать температуру детали. Поэтому для того, чтобы закалить деталь, границы нагрева и отпуска приходится распознавать по цвету металла или его побежалости.
Кроме того, перед тем как закалить какое-либо изделие, мастер должен определить (хотя бы приблизительно) марку стали или сплава, из которого оно изготовлено.
Со временем накапливаются и знания, и навыки, но начинающему термисту даже для того, чтобы в домашних условиях успешно закалить сверло, резец или какой-нибудь крепеж, сначала придется пополнить свой теоретический багаж, пообщаться с опытными специалистами и сделать несколько пробных закалок.
Способы бытовой закалки металла
Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей.
Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали.
К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки.
На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.
Для того чтобы закалить изделие из стали с полным и равномерным прогревом, лучше всего воспользоваться такими источниками тепла, как кузнечные горны и закрытые печи. Это оборудование несложно изготовить самому в домашней мастерской, а эксплуатировать его можно как в помещении, так и на открытом воздухе.
Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия.
Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.
Закалка на открытом огне
Самый простой способ закалить небольшую деталь в домашних условиях — это нагреть ее на открытом пламени до нужной температуры, руководствуясь при этом цветовыми таблицами.
В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке.
Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров.
Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.
Распространенные среды для самостоятельного каления
Для закалки сталей в домашних условиях обычно используют следующие охлаждающие среды: воздух, воду и водные растворы, минеральное масло. В качестве водных растворов обычно используют 10-15%-й хлористого натрия (поваренной соли), а минеральное масло в домашних мастерских — это чаще всего обычная моторная отработка.
Чтобы закалить отдельные части изделия с разной твердостью, используют закалку с последовательным охлаждением в двух средах. Каждая из этих закалочных сред характеризуется своей скоростью охлаждения, от которой напрямую зависит структура обрабатываемого металла.
К примеру, воздух охлаждает сталь со скоростью 5÷10 °C в секунду, масло — 140÷150 °C, а вода (в зависимости от температуры) — 700÷1400 °C.
Чтобы правильно и без проблем закалить свое изделие, необходимо знать марку металла, из которого оно изготовлено, т. к. от этого зависит как температура нагрева, так и способ охлаждения. Народные умельцы для своих изделий в качестве исходных материалов чаще всего используют б/у изделия из быстрорежущих и инструментальных сталей, которые можно закалить в домашней мастерской.
Ниже в таблице приведены рекомендуемые температурные режимы и среды охлаждения для различных сталей.
Закалка металла в масле
Масло довольно плохо проводит тепло, что способствует более медленному формированию структурных элементов стали. Поэтому, если ее закалить в масляной среде, она наравне с твердостью приобретет прочность и упругость.
На производстве для закалки обычно используют индустриальное масло И-20 или современные закалочные масла типа «Термойл», «Термо» или «Волтекс». В домашних мастерских народные умельцы пользуются тем, что имеется в наличии. Чаще всего это новое или отработанное моторное масло.
Чтобы безопасно закалить деталь в таком масле в домашних условиях, нужно помнить, что у него по сравнению с промышленными закалочными жидкостями гораздо более низкая температура вспышки, и при погружении в него раскаленного металла оно на короткий срок загорается с выделением едкого дыма.
Поэтому закалочная емкость, применяемая в домашней мастерской, должна иметь минимальную открытую поверхность и использоваться только на открытом воздухе или в проветриваемом помещении. Помимо обычных ведер и жестяных банок, одна из самых распространенных конструкций такой емкости, которой пользуются домашние мастера — это удлиненный отрезок трубы подходящего диаметра с приваренным днищем.
Изготовление камеры для закаливания металла
Основным материалом для изготовления корпусов домашних печей для закалки стали являются твердые огнеупоры в виде блоков различных размеров и шамотная глина.
В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота.
Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой. При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода.
Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров. Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы.
Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства.
Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).
На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.
Подробное описание конструкции и рекомендации по созданию печи с верхней загрузкой, в которой можно закалить изделия длиной до 54 см, можно посмотреть в следующем видео. Здесь тепловой корпус печи изготовлен из шамотного кирпича (типа ШБ) и также используется терморегулятор. Кроме верхней загрузки, особенностью этого устройства является спираль из кантала, который служит во много раз дольше традиционного нихрома и фехраля.
Как самостоятельно провести отпуск
Отпуск стали проводят для снижения ее хрупкости и повышения пластичности, что происходит во время ее нагрева до невысокой (по сравнению с закалкой) температуры с последующим медленным охлаждением.
Для большинства сталей (углеродистых и низколегированных), которые можно закалить в домашней мастерской, отпуск проводится при температурах в интервале от 150 до 250 °C (см. таблицу выше). В отличие от закалки такой нагрев не требует специального оборудования, поэтому многие домашние мастера используют для этих целей духовки бытовых плит с терморегуляторами.
Определить температуру нагрева при отпуске можно по цвету побежалости — разноцветной оксидной пленки, возникающей на поверхности стали при нагреве (см. рис. ниже). Если закалить сталь «на мартенсит», т. е. с быстрым охлаждением в воде, то получится очень твердая, но хрупкая структура. Поэтому отпуск является обязательной процедурой при термической обработке режущего инструмента.
Проверка качества закалки
Для того чтобы определить, удалось ли закалить изделие из стали до нужной твердости, у домашнего мастера не так уж и много способов. Традиционный — это попробовать поцарапать металл надфилем (не алмазным), который обычно имеет твердость 55÷60 HRC.
Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме.
Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.
Особенности закалки алюминия
Необходимость закалить какое-либо изделие из алюминия в домашних условиях возникает достаточно редко, т. к. вся готовая продукция из литейных и деформируемых сплавов обычно проходят требуемую термообработку и в процессе эксплуатации практически не теряет своей твердости и жесткости.
Такая потребность у домашнего мастера может возникнуть после сварки между собой деталей из алюминиевых сплавов, т. к. в этом случае они очень часто теряют жесткость в области, прилегающей к сварному шву. Но в домашних условиях закалить алюминий очень сложно, т. к. для этого нужно точно знать тип сплава и выдерживать термические параметры с точностью как минимум ±5 °C.
Охлаждение тоже требует определенных навыков, т. к. при неточном соблюдении технологии изделие может повести. Если же все-таки хочется освоить этот вид термообработки для использования в домашних условиях, то в первую очередь необходимо обзавестись печью с точным терморегулятором, а также быть готовым к тому, что каждый раз придется закаливать поочередно несколько образцов для подбора нужных параметров термического процесса.
Особенности закалки меди
Технологии термообработки стали и меди имеют принципиальные отличия. Нагрев меди до красного каления (свыше 600 °C) и быстрое охлаждение в воде приводит к ее отпусканию (т. е. она становится мягкой).
Закалить медь в домашних условиях сложнее, чем отпустить, т. к. для этого ее нужно нагреть всего до 400 °C, при которых она не имеет свечения. После нагрева до указанной температуры медное изделие медленно остужается на воздухе, после чего оно приобретает твердость, как после нагартовки.
Если все-таки есть насущная потребность закалить какое-то количество медных деталей в условиях домашней мастерской, придется обзавестись пирометром для контроля температуры нагрева.
Мы описали два способа проверки качества закалки в домашних условиях. А какие знаете вы? Поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к этой статье.
Закалка стали
Закалка стали – термическая обработка, включающая в себя нагрев, выдержку и охлаждение. Процесс направлен на улучшение механических характеристик стали, металлов и сплавов.
Закалка – вид термической обработки, состоящий из основных операций – нагрева до определенной температуры, выдержки, быстрого охлаждения. Он применяется в сочетании с другой разновидностью термообработки – отпуском. Эта технология позволяет улучшить механические характеристики недорогих марок стали, цветных металлов и сплавов, за счет чего снижается себестоимость получаемых изделий и конструкций.
Общие сведения о технологии закалки стали
Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:
- повышение твердости;
- повышение прочностных характеристик;
- снижение пластичности до допустимой величины;
- возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.
Основные этапы закалки:
- нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
- выдержка, установленная в технологической карте;
- охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.
После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:
- температура нагрева;
- скорость роста температуры;
- период выдержки при закалочных температурах;
- охлаждающая среда и скорость снижения температуры.
Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.
Какие стали подвергают закалке
Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.
Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей
| Марка стали | Температура закалки стали | Среда охлаждения после закалочного нагрева | Температура отпуска | Среда охлаждения после отпуска |
| У7 | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У7А | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У8, У8А | 800°C | вода | 170°C | вода, масло |
| У10, У10А | 790°C | вода | 180°C | вода, масло |
| У11, У12 | 780°C | вода | 180°C | вода, масло |
| Р9 | 1250°C | масло | 580°C | воздух в печи |
| Р18 | 1250°C | масло | 580°C | воздух в печи |
| ШХ6 | 810°C | масло | 200°C | воздух |
| ШХ15 | 845°C | масло | 400°C | воздух |
| 9ХС | 860°C | масло | 170°C | воздух |
Виды закалки – с полиморфным превращением и без него
Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.
Закалка сталей с полиморфным превращением
В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.
Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас1.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.
Закалка без полиморфного превращения
Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.
Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.
Способы закалки стали
Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.
Закаливание с охлаждением в одной среде
Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.
Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах
Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.
Изотермическая ТО
Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.
Светлая ТО
Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.
Термообработка с самоотпуском
При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.
Струйная
Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.
Оборудование для проведения закалки
Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:
- муфельные термические печи;
- оборудование для индукционного нагрева;
- установки для нагрева в расплавах;
- аппараты лазерного нагрева;
- газоплазменные устройства.
Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.
Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.
Охлаждающие среды
Условия охлаждения стали после закалки выбирают в зависимости от химического состава обрабатываемого металла и требуемых характеристик конечного продукта. Это могут быть:
- вода;
- воздушная или струя или струя инертного газа;
- минмасло;
- водополимерные смеси;
- расплавленные соли – бария, натрия, калия;
- металлические расплавы – свинцовые или оловянные.
Технология закалочного процесса
Нагрев и выдержка
Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:
- обезуглероживание;
- окисление поверхности;
- увеличение внутреннего напряжения;
- изменение структурных составляющих.
Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.
Таблица температур закалки различных марок стали
| Марка | Температура, °C | Марка | Температура, °C |
| 15Г | 800 | 50Г2 | 805 |
| 65Г | 815 | 40ХГ | 870 |
| 15Х, 20Х | 800 | 3Х13 | 1050 |
| 30Х, 35Х | 850 | 35ХГС | 870 |
| 40Х, 45Х | 840 | 30ХГСА | 900 |
| 50Х | 830 |
Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.
Охлаждение
Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.
Отпуск
В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.
Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.
Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.
Возможные дефекты после закалки
Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:
Читайте также: