Многие интересуются, как правильно закалить металл в домашних условиях и в каких случаях требуется этот процесс? Закаливание изделий из этого материала проводят при необходимости повышения его крепости. К примеру, для упрочнения кромок для резки кухонных принадлежностей (нож, секатор) или же инструментов (стамеска, зубило и т.д.) К тому же металл приобретает некоторую долю пластичности, что облегчает обработку материала. С этим правилом хорошо знакомы кузнецы. В статье будет описано, как закалить металл в домашних условиях.

Для чего нужно закаливание?

Закаливание металла способствует увеличению твердости изделия примерно в 4 раза. В этом случае предмет из этого материала с легкостью может разрезать стеклянную поверхность. Закаливание требуется из-за недостаточной крепости предмета или наоборот. В первом случае изделия из металла будут заминаться, а во втором - крошиться.

Проверка уровня закалки металлического изделия

Для проверки уровня закалки изделия из металла следует взять напильник и провести инструментом по краю предмета для резки, к примеру, топора или ножа. Если вы чувствуете, что напильник начинает приставать или липнуть к металлу, то это свидетельствует о том, что изделие закалено недостаточно. При этом его край будет мягкий и податливый.

Если же инструмент легко отходит от предмета и создается ощущение, что он его гладит, а рука не чувствует неровностей, то это означает, что металл закален излишне.

Закалить металл в домашних условиях возможно. При этом не следует обращаться к сложным технологиям. Процесс проводится своими руками.

Следует помнить, что процессу не подлежат малоуглеродистые стали. А вот достичь увеличения прочности изделий из углеродистых или реально.

Как проводится закалка?

Технология закалки предполагает два процесса — нагревание металлического изделия до высокой температуры и последующее охлаждение.

Термическое обрабатывание поверхности целесообразно в том случае, если:

• есть необходимость придания металлу дополнительной прочности;
• требуется повышение уровня пластичности, к примеру, для последующей горячей ковки.

Цена закаливания металлического изделия на профессиональном уровне составляет 200 руб. за 1 кг. Обработка огнем мелких деталей обходится дешевле. Цена за эту услугу равна 20 руб.

Как закалить металл в домашних условиях? Необходимо ознакомиться с некоторыми нюансами этого дела.

Нагрев должен отличаться равномерностью. На металле не должно возникать пятен черного или синего цвета. Нельзя нагревать изделие до крайнего показателя температуры. О том, что процесс протекает правильно, свидетельствует появление яркого красного цвета.

Какое оборудование употребляется для закалки?

К примеру, для того чтобы закалить метал в домашних условиях в форме сверла, применяется электрическая или термическая печь, лампа для паяния или же костер. Что подойдет в конкретном случае зависит от того, какой показатель температуры требуется для обрабатываемого материала.

Охлаждение разных инструментов

Правила охлаждения инструментов могут быть разными. Процесс можно осуществить в один или несколько приемов. Все зависит от типа металла.

Как закалить металл не по всей поверхности, а лишь в определенном месте? В этом случае применяется струйный вид закалки. Он подразумевает направление струи холодной воды на предмет точечно.

Если проводится действие с одним охладителем, то требуются специализированные приспособления в виде бочки или ведра. С этой целью применяют даже ванну. Такой способ охлаждения подходит для предметов на основе углеродистой или легированной стали.

Если для понижения температуры изделия требуется схема охлаждения, включающая две ступени, то употребляются разные среды. Этот процесс обеспечивает отпуск металла. Изначально сверла или диски подвергаются охлаждению водой, затем посредством машинного или минерального масла. Охлаждение при его помощи является второй ступенью процесса, так как есть риск воспламенения под влиянием высокой температуры.

Применение воды для охлаждения

Основной жидкостью для охлаждения является вода. Если в нее добавить немного соли или мыла, то скорость охлаждения поменяется. Поэтому бак для закалки нельзя использовать для мытья рук. Для обеспечения одинакового показателя твердости на металлической поверхности следует поддерживать температуру жидкости 20 — 30 °С. Нельзя часто ее менять в баке. Запрещается проводить охлаждение изделия в проточной воде.

Минусом закаливания при помощи воды является появление на поверхности металла множества трещин. Таким способом следует подвергать процессу предметы простой формы или же цементированные.

Что применяется для закаливания деталей сложной формы?

Как закалить металл сложной формы? Для используется пятидесятипроцентный раствор каустической соли в холодном виде или подогретом до 50 — 60 °С. Детали, подогретые в соляной ванне и прошедшие в ней закалку, выходят светлыми. Нельзя чтобы температура раствора была выше 60 °С.

Пары, которые возникают при закаливании, несут вред здоровью, поэтому ванна обязательно должна быть оснащена вентиляционной вытяжкой.

Как осуществляется закаливание легированной стали?

Как закалить металл? В домашних условиях легированную сталь подвергают процессу в ванне с минеральным маслом. Тонкие предметы из углеродистой стали закаливают этим же способом. Плюсом масляных ванн является то, что скорость охлаждения не находится в зависимости от температуры масла. Оно будет протекать одинаково быстро при любом ее показателе.

Как закалить металл в масле правильно? В такую ванну не должна попадать вода, так как это может спровоцировать появление на поверхности металлического предмета трещин. Замечено, что если масло разогрето до температуры 100 °С, то попадание воды не вызовет растрескивания изделия.

Минусы масляной ванны

• При закаливании выделяются ядовитые газы.
• На предмете образуется налет.
• Масло может воспламениться.
• Качество закалки в масляной ванне постепенно снижается.

Как проводится отпуск металла?

Отпуску подвергаются все детали, прошедшие закалку. Это снимает внутреннее напряжение. В результате этого процесса понижается твердость и повышается пластичность материала.

Как отпустить закаленный металл? В зависимости от нужной температуры процесс проводится:

• в ваннах с маслом;
• в ваннах с селитрой;
• в печах с воздушной циркуляцией;
• в щелочных ваннах.

От чего зависит выбор температуры отпуска?

Как ослабить закаленный металл правильно, что следует учитывать? Важным фактором является температура отпуска. Она зависит от типа стали и требуемого показателя твердости изделия. К примеру, изделие для которого требуется показатель HRC 59 - 60, подвергается отпуску при температуре 150 — 200 °С. В этом случае внутренне напряжение понижается, а твердость практически не меняется.

Опускают при температуре 540 — 580 °С. Такой процесс получил название вторичного отвердения. Его результатом является повышение твердости изделия.

Металл закаляется на цвет побежалости. Его нагревают на в печах или горячем песке. Пленка окиси, появляющаяся при нагревании, окрашивается в разные цвета. При этом поверхность металлического изделия очищается от окалины, нагара и масла.

После отпуска металл, как правило, охлаждают на воздухе. Хромоникелевые изделия охлаждают в воде или масле, так как медленное остывание этих марок приводит к отпускной хрупкости.

Как закалять сталь на открытом огне?

Как закалить металл на огне? Для легкого проведения процесса закаливания металла в домашних условиях следует развести костер и подготовить две тары большой емкости. В огне должно присутствовать множество раскаленных углей.

В одну емкость следует залить дизельное или моторное масло, а в другую чистую воду. Лучше если она будет колодезной. Изначально подготавливается инструмент, при помощи которого будет удерживаться раскаленный до предела металл. Употребляют кузнечные клещи. Но если их нет, то можно использовать что-либо аналогичное.

После проделывания предварительных работ, сверла из металла или же другие инструменты кладутся в центр пламени на горячие угли. Угольки белого цвета гораздо горячее остальных. За процессом закаливания нужно наблюдать внимательно. Пламя костра должно быть малинового цвета. Если огонь приобретает белый цвет, то есть угроза перегревания и даже сгорания металла.

Необходимо следить за тем, чтобы малиновый цвет был распределен по все площади костра равномерно. На кромке изделия из металла не должно появляться пятен черного цвета. Если на материале появляются синие пятна, то это свидетельствует о чрезмерном размягчении материала и его излишней пластичности. Этого допускать нельзя.

После прокаливания в огне металлического изделия его следует убрать из очага высокой температуры. Раскаленный предмет опускается в емкость с маслом много раз с интервалом в 3 секунды. Промежуток времени постепенно увеличивают. Медлить на этом этапе нельзя. Операция проводится скоро и резко. Изделие окунается в масло до тех пор, пока его цвет перестанет быть ярким и насыщенным.

Затем предмет погружается в ведро с водой, которую необходимо немного взбалтывать. На этом этапе следует быть предельно острожными, так как капли масла на ноже или топоре могут подвергнуться осушению при погружении в водную среду. Сверла следует опускать в жидкость толстым концом.

Как правильно закалить металл, вам уже известно. Если придерживаться всех рекомендаций, то процесс принесет желаемый эффект.

В каких случаях прибегают к применению электрической печи?

В домашних условиях приходится закаливать изделия из цветных металлов или стали. В этом случае потребуется очень высокая температура до 900 ºС и выше.

Разогреть изделие из металла до такого показателя в состоянии только электрическая или муфельная печка. Последнюю можно изготовить своими руками, а вот электрическую сделать невозможно.

Как изготовить муфельную печь?

Как закалить металл в домашних условиях при помощи муфельной печи, изготовленной своими руками? Такое приспособление станет очень нужным в домашнем хозяйстве. Оно позволят провести термическую обработку изделий из металла без лишних манипуляций. Для изготовления печи своими руками требуется огнеупорная глина, используемая для покрытия. Из этого материала создается камера толщиной не больше 1 см. Ее размеры должны составлять 210х105х75мм.

Осуществляя лепку муфельной печи своим руками, прибегают к использованию к заранее приготовленной формы из картона. Чтобы она не липла, ее пропитывают парафином.

Глину намазывают на форму с изнанки. В этом случае во время просушивания она не даст усадки. При затвердевании материал сам отойдет от граней формы. Огнеупорная глина может стать основой двери печи.

Самодельной муфельной печи надо дать просохнуть на открытом воздухе. Затем ее просушивают до конца в печи при 100 ºС. Двери и камера обжигаются постепенно при увеличении температуры до показателя 900 ºС.

Деталям следует дать остыть, не вынимая их из печи. Затем к ней присоединяется дверка. Ее поверхность шлифуется при помощи напильника.

На камеру наматывается 18 м проволоки из нихрома. Толщина ее должна составлять 0,75 мм. Первый и последний витки необходимо скрутить. Чтобы не возникло замыкание, расстояние между витками обмазывается глиной. На сухой слой материала надо намазать еще один слой толщиной 12 см.

Муфельная печь, сделанная своими руками, заключается в металлический каркас, размер которого составляет 270х200х180 мм.

Для облегченной сборки корпуса его следует сконструировать с двумя съемными крышками, фиксируемыми посредством винтов.

К передней крышке на петлю крепится дверца. Она должна открываться в горизонтальном направлении. На эту дверку при помощи болтов и прокладок нужно установить керамическую деталь.

Все зазоры замазываются глиной, а края проволоки убираются на заднюю крышку каркаса.

Затем делается разъем и стандартный шнур с вилкой. Все отверстия между нагревающими деталями и каркасом заполняются асбестовой крошкой.

Для установки термопары и получения возможности отслеживать процесс закалки металла в камере необходимо просверлить два отверстия. Диаметр первого должен составлять 1 см, а второго 2 см. К ним крепятся закрывающиеся шторки из металла.

Вес самодельной муфельной печи составляет 10 кг. Она раскаляется до показателя температуры 900 ºС в течение часа. При ее помощи можно облегчить процесс закаливания сверл, напильников, матриц и множества других металлических изделий.

Муфельное оборудование для закалки металла не является единственным устройством. С этой целью применяют камерное приспособление, электрическую или термическую печь, а также печь-ванну. Сделать муфельную печь своими руками выгоднее, чем приобрести готовое оборудование. К примеру, средняя цена такого приспособления на рынке составляет 40 000 руб.

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.

Закалка — распространенный процесс термической обработки стальных деталей. Она осуществляется путем нагрева деталей выше критической точки Ас 3 (доэвтектоидной стали) или Ас 1 (заэвтектоидной стали) на 30—50° С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств.

Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из-за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур—мартенсита, троостита и сорбита.

Качество закалки зависит от правильного выбора режима закалки (температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения). Температура нагрева под закалку зависит от химического состава стали. Для углеродистых сталей ее выбирают, пользуясь диаграммой состояния сплавов.

Нагрев деталей должен быть достаточно медленным, чтобы не возникли напряжения и трещины. Время нагрева зависит от химического состава стали, от формы и размеров деталей. Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 15—20 мин на 1 мм сечения образца. Время выдержки должно быть достаточным, чтобы весь процесс превращения перлита в аустенит завершился полностью. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева.

Охлаждение детали является наиболее ответственным этапом операции. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы обеспечить получение нужной структуры —мартенсита, троостита или сорбита, т. е. обеспечить необходимые механические свойства обрабатываемой детали.

Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры —мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

При скорости охлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду с мартенситом, будет находиться троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры троостита или сорбита без мартенсита. Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения данной стали путем быстрого охлаждения стали (температура наименьшей устойчивости аустенита 550— 650° С).

В зоне температур мартенситного превращения, т. е. ниже 300° С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как структурные напряжения успевают выравниваться, а твердость образовавшегося мартенсита при выдержке ниже точки М к практически не снижается.

Для успешного проведения термической обработки правильный выбор закалочный среды имеет большое значение.

Для закалки среднеуглеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С, а для большинства остальных сталей — масло.

Способность стали закаливаться на определенную глубину называется прокаливаемостью. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности закаленной детали до слоя с полумартенентной структурой (50% мартенсита и 50% троостита).

При охлаждении в процессе закалки в стали возникают внутренние напряжения —термические и структурные. Термические напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения, а структурные напряжения — при превращении аустенита в мартенсит, что сопровождается значительным увеличением объема. В результате создания таких напряжений при закалке может возникать брак следующих видов: трещины, коробление, бочкообразность, изменение объема. Дефектами закалки являются также мягкие пятна, пониженные твердость и прочность стали, обезуглероживание, окисление, перегрев, пережог и др.

Правильное погружение деталей в закалочную среду помогает избежать образования некоторых дефектов (поводки, коробления,трещин и др.).

Рис. 33.

При погружении деталей можно руководствоваться следующими положениями (рис. 33);:

а) длинные детали (сверла, развертки, протяжки) погружать в строго вертикальном положении;

б) детали, имеющие вогнутую поверхность, погружать в закалочную среду вогнутой поверхностью вверх, так как в противном случае образуется паровой мешок и в этом месте деталь не закалится;

в) детали, имеющие толстую и тонкие части, погружать в закалочную среду толстой частью;

г) тонкие и плоские детали погружать узкой стороной.

В зависимости от толщины закаленного слоя в деталях различают объемную и поверхностную закалку. В зависимости от скорости охлаждения различают закалку ступеньчатую и изотермическую, а в зависимости от метода нагрева —закалку с нагревом в печах, токами высокой частоты, газовым пламенем и в электрических печах. Объемная закалка (полная) с непрерывным охлаждением применяется для углеродистых сталей (охлаждение в воде) и для легированных сталей (охлаждение в масле). Этот способ заключается в том, что нагретую деталь погружают в закалочную среду и держат до полного охлаждения. Недостатком этого способа является возникновение больших термических напряжений из-за резкой разности температур нагретой детали и охлаждающей среды.

Ступенчатая закалка производится путем быстрого охлаждения последовательно в двух различных охлаждающих средах. Первой охлаждающей средой являются расплавленные соли или масло с температурой на 20—30° С выше температуры начала мартенситного превращения (точка М н) для данной стали. В горячей среде деталям дают кратковременную выдержку. Выдержка в расплавленных солях или масле должна обеспечить выравнивание температуры по сечению детали, но не вызывать распада аустенита. Второй охлаждающей средой является воздух. При этом аустенит переходит в мартенсит. Достоинством такого способа закалки является уменьшение термических напряжений, а следовательно, трещин, поводки и коробления, а также хорошее сочетание высокой вязкости с прочностью. Ступенчатую закалку применяют для мелких деталей (сечением 8—10 мм) из углеродистой стали и для деталей (сечением до 30 мм) из легированной стали.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда (на 20—100° С) выше точки мартенситного превращения для данной стали.

Время выдержки должно быть достаточным для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе.

Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, т. е. сочетание высокой вязкости с прочностью.

Светлая закалка стальных деталей при любой разновидности процесса закалки производится в специально оборудованных печах с применением защитных сред или в ваннах с расплавленными слоями. Ванны для нагрева деталей под закалку обычно делают из хлористого натрия при температуре на 30—50° С выше температуры точки
Ас 1 _ 3 .

Охлаждение деталей производят при температуре 180—200° С в ванне, состоящей из 75% едкого кали и 25% едкого натра, с добавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Такая смесь обладает очень высокой закаливающей способностью.

После светлой закалки поверхности детали приобретают светлый серебристо-белый цвет. В этом случае отпадает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

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.

Закалкой называется операция термической обработки, состоя-щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A C 3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А С1

для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство-рах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой на-грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за-калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 - 50° выше точки А С3 . В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж-дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной . При нагреве доэвтектоидной стали до температур A C 1 — А C 3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше-гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста-ли. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидной ста-ли наилучшая температура закалки — на 20—30° выше А С1 , т. е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше А ст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше А С1 ,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря-жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста-ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте-нита, т. е.при 650—550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль-ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован-ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис-тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы-шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за-калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Закаливаемость стали зависит восновном от содержания в ней углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит отстепени искажения его кристаллической решетки. Чем меньше вмартенсите углерода, тем меньше будет искажена его кристалли-ческая решетка и, следовательно, тем ниже будет твердость стали.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ-ностью закаливаться на определенную глубину. При закалке по-верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен- носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло. Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент-ральной части детали передается через массу металла к поверх-ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за-калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали. Например, сталь с крупным при-родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ-кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу-бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки. Поэто-му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален-ной коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.

Прокаливаемость стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер-дости.

Виды закалки стали .

Су-ществует несколько способов закалки, применяемых в за-висимости от состава стали, характера обрабатываемой де-тали, твердости, которую не-обходимо получить, и усло-вий охлаждения.

Закалка в одной среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1 . Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль-шом интервале температур способствует возникновению температур-ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели-чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

Рис. 1

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож-ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча-тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре-зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива-ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото-рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко-робление и возможность образования трещин.

Недостаток этого вида закалки в том, что горячие следы не мо-гут обеспечить большую скорость охлаждения при температуре 400—600° С. В связи с этим ступенчатую закалку можно применять для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (до 8—10 мм). Для легированных сталей, имеющих небольшую критическую ско-рость закалки, ступенчатая закалка применима к деталям большого сечения (до 30 мм).

Изотермическую закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера-туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1). В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча-того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо-димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью. В качестве охлаждающей среды ис-пользуют расплавленные соли: 55% KNO 3 + 45% NaNO 2 (темпе-ратура плавления 137° С) и 55% KNO 3 + 45% NaNO 3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера-туры.

Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:

минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.

В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми-ческую светлую закалки.

Светлую закалку стальных деталей проводят в специ-ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст-рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох-лаждением в расплавленной едкой щелочи. Перед закалкой инстру-мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера-туре на 30—50° С выше точки А С1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли). Смесь имеет тем-пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ-ностью.

При ступенчатой закалке стали с переохлажде-нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон-чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа-дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка с самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве. Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде-ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель-но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

Рис. 2. Ц вета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль-ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам. Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни-кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох-лаждать детали в масле. Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи-мой для превращения аустенита в мартенсит. Следовательно, мно-гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох-лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую-щих основных правил:

детали, имеющие толстую и тонкую части, погружать в закалоч-ную среду сначала толстой частью;

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за-каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по-ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

Дефекты, возникающие при закалке стали.

Недостаточ-ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем-пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.

Исправление де-фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при-менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление дефекта : отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и обезуглероживание стали ха-рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета-лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе-рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре-вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе-нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за-каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап-ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образова-ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча-тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле-ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.