Способы закалки металлов и стали

В упрощенном виде процесс закаливания металла заключается в повышении температуры образца до больших значений, а потом его охлаждении. Но не все так просто. И это объясняется тем, что различные виды металлов отличаются своей структурой, и соответственно, специфическими свойствами. Поэтому для их закалки и применяются определенные методики (и температуры). О них, а также специфики проведения соответствующих операций мы и поговорим. 

Прежде всего, стоит отметить, что термическая обработка (закалка) металлических изделий (или заготовок) производится в двух случаях.

Во-первых, при необходимости повысить прочность материала (в несколько раз). С этим в быту сталкиваются практически все. Например, для «усиления» режущих кромок кухонной утвари (ножи, топорики для рубки мяса) или инструмента (стамески, зубила и тому подобное).

Во-вторых, для придания металлу некоторой пластичности, что значительно облегчает дальнейшую работу с материалом («горячая» ковка). Об этом хорошо известно тем, кто занимается кузнечным делом. Рассмотрим все этапы технологии закаливания металлических изделий в домашних условиях.

Нагрев

Главное условие качественной закалки – его равномерность, без темных пятен на образце (синих или черных). Металл не должен нагреваться до «белого каления». Признак оптимального разогрева – приобретение им ярко-малинового (красного) цвета. Источником тепла может быть что угодно – кузнечный горн, лампа паяльная, эл/плитка, газовая горелка, открытый огонь. Его выбор зависит от той температуры, которой необходимо достичь для данного сорта стали.

Охлаждение

Существует несколько методик проведения данной технологической операции. Оно может быть как резким, так и постепенным, ступенчатым. Специфика определяется видом металла.

Струйная закалка

Используется, если необходимо подвергнуть обработке не весь образец, а отдельный участок поверхности. На него и направляется струя холодной воды.

С одним «охладителем»

Понятно, что предварительно устанавливается подходящая емкость (ведро, бочка, ванна). Как правило, применяется для заготовок из легированной или углеродистой стали.

С двумя

В качестве «охладителя» используются среды с разной способностью понижать температуру материала. Поэтому процесс является двухступенчатым, так при этом обеспечивается и «отпуск» металла. Например, сначала охлаждение производится в воде, а потом – в масле (например, машинном или минеральном), так как от высокой температуры оно может воспламениться.

Есть и другие способы, но они, как правило, используются мастерами, которые работают на профессиональном уровне и хорошо разбираются в металлах. Например, закалка изотермическая. Нет смысла на них останавливаться подробно, так как сначала придется объяснять, что такое стали мартенситные и аустенитные.

Режимы закалки и отпуска стали

В чем охлаждать?

Мы уже упомянули, что чаще всего это делается при помощи холодной воды и масла. Но это не единственно возможные «охладители». Дело в том, что при такой закалке некоторые сорта стали становятся хрупкими. Поэтому на практике используются и другие среды, способные интенсивно понижать температуру металла.

Например, жидкий сургуч. Он более подходит для работы с плоскими заготовками, которые после доведения их температуры до требуемого значения в него полностью погружаются, причем последовательно, несколько раз подряд, пока масса сургуча полностью не отвердеет.

Мастера в качестве «охладителей» используют и такие вещества, как щелочи, растворы с сильной концентрацией соли и ряд других, даже расплавленный свинец.

Как проверить качество закалки? Есть довольно простой способ – при помощи обыкновенного напильника.

  • Если он при обработке заготовки буквально «отскакивает» от нее, то получилось «стекло». Такой металл является перекаленным и будет легко крошиться.
  • А вот «прилипание» инструмента свидетельствует о том, что металл получился мягким («пластилин»), недостаточно закаленным, и прочность изготовленной из него детали вызывает большие сомнения.

Практические рекомендации

  • Все металлические изделия, с которыми мы сталкиваемся на практике, по своему составу неоднородны. Существует несколько разновидностей стали, и не все их можно подвергать термическому воздействию. К примеру, малоуглеродистая не закаляется.
  • Если в быту необходимо придать прочности столовому ножу или топору, то не обязательны особые познания в области металлургии. Но начинающему кузнецу стоит напомнить, что перед тем, как приступить к термической обработке заготовки, необходимо разобраться, какой это материал (сорт стали). В этом вам поможет соответствующая справочная таблица, в которой для каждого из них указаны и продолжительность термического воздействия, и температура, и оптимальная методика охлаждения.

Специальный вид обработки материалов термическим способом называется закалка. Ей подвергают металлы, стекло, металлические сплавы. Смысл состоит в том, чтобы посредством температуры изменить тип кристаллической решётки материала или растворить те структуры, которые находятся внутри материала при более низких температурах.

После воздействия высокой температурой предмет резко охлаждают тем или иным способом, например, водой, струёй холодного сжатого воздуха, полимерной средой и т. п. Также для охлаждения применяют масло. Благодаря этому материал становится твёрже. Это знали ещё воины древности и использовали его для увеличения крепости своего оружия.

Что представляет собой закалка металлов

Это специальный вид термической обработки металлов, при котором нагревание продолжается до изменения структуры кристаллической решётки, что называется полиморфным превращением. Далее металл очень быстро охлаждают, например, в масле. Смысл таких действий — повысить твёрдость металла, подвергнутого термообработке.

Следует различать понятия металл и сталь. Металл — это химические элементы, обладающие общими схожими свойствами, представлены в периодической таблице. Сталь — это сплав железа с другими веществами, как правило, с углеродом.

Виды металлов:

  • чёрные;
  • цветные;
  • драгоценные.

Нагрев металла до такой температурной отметки, при которой не происходит разрушения кристаллической решётки, именуется перенасыщенным твёрдым раствором. Применяется для придания хрупкости металлическим изделиям. Для цветных металлов применяют ещё более низкие температуры.

Придание твердости

Для придания металлу твёрдости желательно после обработки охлаждать его в ванной с проточной водой. Эффективность такого действия возрастает, если применять соляный раствор. Вместо соли применяют также слабый раствор серной кислоты.

Закалить металл возможно даже в походно-полевых непромышленных условиях. Сделать это можно используя отжиг в печи. Рисунок такой печи легко можно найти в сети. Правда, дефекта стали избежать вряд ли получится. Кстати, охлаждение объекта только в одном виде охладителя называется непрерывным. Прерывным охлаждение будет называться, если изделия попеременно переносят из одного охладителя в другой. Например, из воды в масло — оно будет подвергаться прерывистой закалке. Закалка самоотпуском, когда охлаждению подвергают изделие только снаружи, оставляя горячей середину. Впоследствии середина распределяет тепло наружу, сравнивая температуру по всему объекту.

Увеличение пластичности

Для обратной процедуры, то есть когда нужна пластичность, а не хрупкость, осуществляют процедуру отпуска. Закалка и отпуск стали, это особый, ступенчатый вид термической обработки, который проводится в условиях постепенного охлаждения металлов. Самоотпуск не даёт развиваться критическому напряжению в сплаве.

Ещё одна процедура закалки называется старением, когда металлические сплавы повторно подвергают температурному воздействию, доводя до состояния перенасыщенного раствора.

Разновидности стали и закалки

Различают следующие виды стали:

  • строительные;
  • инструментальные;
  • жаропрочные;
  • жаростойкие;
  • конструкционные и т. д.

В зависимости от химических свойств и состава применяют различные способы закаливания стали. Например, для доэвтектоидных марок применяется температура закаливания не выше 60 градусов. Критическая скорость в таком случае составляет шаг в десять градусов. Тогда при охлаждении выше, чем критическая скорость закалки, однородная структура стали преобразуется в неоднородный мартенсит, то есть произойдёт полная закалка. Полный способ необходим для цельных изделий. И наоборот, если в неоднородной среде будут остатки феррита, закалка считается неполной, твёрдость закаленной вещи при этом будет снижена.

Неполная закалка стали подходит для заэвтектоидных видов твёрдых сортов. Продукция из нержавеющей стали выпускается для различных отраслей и направлений в народном хозяйстве. Поэтому в заводских условиях, ранжировав по видам применения изделий, проводится разогревание не только всего изделия, но и какой-то его части, предназначенной для выполнения определённых видов работ. Например, закалённая сталь используется в наконечниках для буров в нефтяной и газовой промышленности. Такой способ обработки называется локальным, если закаляется весь предмет, то глобальным.

Если процесс нагрева осуществляется по принципу изотермического расщепления аустенита при температурном режиме, температура закалки стали доходит до 300 градусов, а в качестве охладителя используется соляной раствор или масло, также с температурой до 300 градусов — она называется изотермической. Изотермический процесс применяют, когда требуется дальнейшее формирование изделия, например, шлифовка, рихтовка, графические работы. Такой вид калёной стали легко поддаётся механической обработке.

С помощью муфельной печи можно легировать сплав даже своими руками на дому. Речь, разумеется, не идёт о квартире. Правда, различного рода дефектов, начиная от изменения цвета и заканчивая всеми остальными параметрами, не избежать. В сельской местности мастера отжиг стали делают самостоятельно. Это когда у целого стального изделия закаляется определённая часть или сторона. Например, режущая кромка пилы. Однако закаливаемость при таком способе будет низкой.