Как отпустить закалку металла

Закалка и отпуск металла в домашних условиях — технология и таблицы

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.

Закалка и отпуск стали.

Целью закалки и отпуска стали является повышение твердости и прочности. Закалка и отпуск стали необходимы для очень многих деталей и изделий. Закалка основана на перекристаллизации при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлит путем быстрого охлаждения. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.

Чаще всего сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А1. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска.

Закалка стали. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше точки Ас3, для заэвтектоидной — на 30—50° выше точки Aс1. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками Ас1 и Ac3 (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали наряду с закаленными участками будет присутствовать нерастворенный при нагреве (в аустените) феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка с нагревом выше точки Ас3.

В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мартенситу и даже превосходит его, поэтому сталь достаточно нагреть на 30—50 °С выше точки Ас1.

Нагревать заготовки, особенно крупные, нужно постепенно во избежание местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретых заготовок должно быть достаточным, чтобы переход в структуру аустенита полностью завершился.

Скорость охлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданную структуру. Критическая скорость закалки изменяется в широких пределах в зависимости от наличия легирующих компонентов в стали. Для простых сплавов железо—углерод эта скорость очень высока. Присутствие в стали кремния и марганца облегчает закалку на мартенсит, так как для такой стали С-образные кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита будут сдвинуты вправо и критическая скорость закалки понижается.

Наиболее распространено охлаждение заготовок погружением их в воду, в щелочные растворы воды, в масло, расплавленные соли и т. д. При этом сталь закаливается на мартенсит или на бейнит.

При закалке применяют различные способы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и размеров заготовки.

Простую закалку в одном охладителе (чаще всего в воде или водных растворах) выполняют, погружая в него заготовки до полного охлаждения. На рис. 2 режим охлаждения при такой закалке характеризует кривая 1.

Для получения наибольшей глубины закаленного слоя применяют охлаждение при интенсивном обрызгивании.

Прерывистой закалкой называют такую, при которой заготовку охлаждают последовательно в двух средах: первая среда — охлаждающая жидкость (обычно вода), вторая — воздух или масло (см. кривую 2 на рис. 2). Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей. Рис. 2.

При ступенчатой закалке заготовку быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше Мн. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине заготовки, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении; затем заготовку охлаждают на воздухе (кривая 3 на рис. 2).

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита. Охлаждение ведется до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200—300 °С) в зависимости от марки стали. В качестве охладителя используют соленые расплавы или масло, нагретое до 200—250 °С. При температуре горячей ванны заготовка выдерживается продолжительное время, пока пройдет инкубационный период и период превращения аустенита (кривая 4 на рис. 2). В результате получается структура бейнита, по твердости близкая к мартенситу, но более вязкая и пластичная. Последующее охлаждение производится на воздухе.

При изотермической закалке вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита. Следовательно, по этому методу можно закаливать лишь небольшие (диаметром примерно до 8 мм) заготовки из углеродистой стали, так как массивные заготовки не удается быстро охладить. Это не относится однако к легированным сталям, большинство марок которых имеют значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (выправления искривлений) заготовок во время инкубационного периода превращения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще пластична.

Закалка при помощи газовой горелки. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки с температурой около 3200 °С направляется на поверхность закаливаемой заготовки и быстро нагревает ее поверхностный слой до температуры выше критической. Вслед за горелкой перемещается трубка, из которой на поверхность заготовки направляется струя воды, закаливая нагретый слой. Этот способ применяется для изделий с большой поверхностью (например, для прокатных валков, зубьев больших шестерен и т. д.).

Закалка токами высокой частоты по методу В. П. Вологдина нашла очень широкое применение в промышленности, так как отличается высокой производительностью, легко поддается автоматизации.

Обработка холодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Холодом обрабатывают углеродистую сталь, содержащую больше 0,5 % С, у которой температура конца мартен-ситного превращения находится ниже 00 С, а также легированную сталь (например, быстрорежущую).

Отпуск стали. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этом в зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита, троостита или сорбита отпуска.

При низком отпуске (нагрев до температуры 150—200 °С) в структуре стали в основном остается мартенсит, который однако имеет другую решетку, как сказано выше. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение вязкости стали, а также уменьшение внутренних напряжений в заготовках. Для низкого отпуска, заготовки выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или солевых ваннах. Если для низкого отпуска заготовки нагревают в атмосфере воздуха, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на зачищенной поверхности заготовки. Появление этих цветов связано с интерференцией белого цвета в пленках оксида железа, возникающих на поверхности заготовки при ее нагреве. Для углеродистой стали в интервале температур от 220 до 330 °С в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Для легированной стали соответствующие температуры выше. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента из углеродистых и легированных сталей, измерительного инструмента, цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях трения на износ.

При среднем (нагрев в пределах 300—500 °С) и высоком (500—700 °С) отпуске структура мартенсита переходит соответственно в структуру троостита или сорбита. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Средний отпуск применяют при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий—для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Особенности и виды отпуска стали как способа термообработки металла

Отпуском металла называется технологический процесс термообработки закалённого стального сплава. Он даёт возможность завершить фазовые превращения в микроструктуре (мартенсите), которая приобретает наиболее устойчивое состояние. Дело в том, что в процессе закалки в металле возникают внутренние напряжения — осевые, радиальные, тангенциальные. Чтобы устранить их негативные последствия такие как хрупкость и низкая пластичность, изделия нагревают в печах при различных температурах (от 250 °C до 650 °C), выдерживают заданное время (от 15 минут до 1,5 часа), а потом медленно охлаждают.

Комплекс этих мероприятий приводит к выделению лишнего углерода, перестройке и упорядочиванию структуры металла, устранению дефектов его кристаллического строения. Обработанные материалы приобретают заданный комплекс механических свойств, среди которых основные — увеличение пластичности и снижение хрупкости при сохранении достаточного уровня прочности.

Виды отпуска стали

1. Низкий.
2. Средний.
3. Высокий.

Понятие низкого отпуска.

Для снижения внутренних напряжений низкий отпуск стали обычно проводят нагреванием до 250 °C в течение от 1 до 2,5 часа. Из металла в процессе диффузии выделяется часть излишков углерода, из них образуются карбидные частицы в виде пластин и стержней. Неравновесная структура мартенсита закалки превращается в равновесный отпущенный мартенсит. Этим достигается стабилизация размеров изделий, повышаются вязкость и прочность, а показатели твёрдости практически не изменяются.

Низкотемпературному отпуску подвергают железоуглеродистые и низколегированные стали для производства режущего и измерительного инструмента, который не испытывает динамических нагрузок. В основном его выполняют для сталей, закалённых токами высокой частоты, а также для сплавов, поверхность которых ранее насыщалась углеродом и азотом.

Особенности среднего отпуска.

Он проводится при температурах от 350 °C до 500 °C и обеспечивает высокую упругость и релаксационную стойкость. Из стали выделяется весь избыточный углерод, а карбид переходит в цементит. Мартенсит уже полностью разложился, а перестройка структуры металла (полигонизация) и её совершенствование (рекристаллизация) ещё не начались. Новая комбинация называется троостомартенсит и характеризуется ускорением процессов диффузии. Кристаллическая решётка сплава при этом превращается в кубическую, а внутренние напряжения ещё больше уменьшаются.

Охлаждение металла осуществляют в воде, что тоже увеличивает предел выносливости. Среднетемпературный отпуск необходим при производстве упругих деталей: рессор, ударного инструмента и пружин.

Технология высокого отпуска.

При температурах свыше 500 °C в углеродистых сплавах происходят структурные преобразования, которые уже не относятся к фазовым превращениям. Претерпевают изменения конфигурация и габариты частиц кристаллов, их зёрна укрупняются, а форма стремится к равноосной. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск стали, в материаловедении называется улучшением, а кристаллическая структура металла после этого — сорбитом отпуска. Она считается наиболее эффективной, так как достигается идеальное сочетание вязкости, пластичности и прочности сплава. Однако несколько снижается твёрдость, поэтому не приходится надеяться на улучшение износостойкости.

Продолжительность высокого отпуска варьируется в пределах от 1 до 6 часов и зависит от размеров зубчатых передач, опор, коленчатых валов, втулок, болтов и винтов, изготовленных из конструкционных и среднеуглеродистых сталей. Эти изделия в процессе эксплуатации воспринимают ударные нагрузки и работают на сжатие, растяжение и изгиб, а к их прочности, выносливости, текучести и ударной вязкости предъявляются особые требования.

Явление отпускной хрупкости

Изучая сущность процесса, можно было бы сделать вывод, что при любом увеличении температуры отпуска станет повышаться и ударная вязкость. Но при обработке стальных сплавов в определённых температурных интервалах возникает внезапное падение ударной вязкости без изменения прочих механических характеристик. Это явление обозначается термином «отпускная хрупкость» и объясняется следующим образом:

1. Отпускная хрупкость Ι рода — необратимый процесс. При температурах от 250 °C до 300 °C карбиды из мартенсита начинают выделяться неравномерно, что приводит к резкому различию прочности на поверхности зёрен кристаллов и внутри их. Этому подвержены все виды стальных сплавов вне зависимости от состава и скорости охлаждения по окончании отпуска. Это явление невозможно устранить и для его предотвращения стараются просто не выполнять обработку при данных температурах.
2. Отпускная хрупкость ΙΙ рода — обратимый процесс. Возникает при замедлении охлаждения некоторых легированных хромом, марганцем и никелем сталей, которые отпускались при температурах выше 500 °C. Причиной опять является выделение и диффузное перераспределение карбидов, а также фосфидов и нитридов. Чтобы подавить развитие обратимой хрупкости, применяют повторный отпуск с масляным охлаждением, при этом скорость последнего должна быть как можно более высокой. Добавки в легированную сталь до 1% вольфрама или до 0,3% молибдена тоже помогают решить эту проблему. Интересно, что если во время эксплуатации детали будут снова подвергаться нагреву до температуры выше 500 °C, отпускная хрупкость возникнет повторно, почему она и получила название обратимой.

Термообработка инструментальных сплавов

Практически для всех металлов справедливо утверждение: с повышением температуры отпуска снижается прочность и увеличивается пластичность. Исключение составляют только быстрорежущие стали, применяющиеся в производстве инструментов. Для обеспечения лучших характеристик теплостойкости и износостойкости их легируют карбидообразующими элементами: молибденом, кобальтом, вольфрамом и ванадием. А для закалки используют нагрев до температур свыше 1200 °C, что позволяет наиболее полно растворить образовавшиеся карбиды.

Теплопроводности самого железа и легирующих его элементов значительно различаются, поэтому для предотвращения деформации и растрескивания при нагреве следует выполнять температурные паузы. Это происходит при достижении 800 °C и 1050 °C, а для больших предметов первый интервал назначают при температуре 600 °C. Длительность остановки лежит в пределах от 5 до 20 минут, что позволяет обеспечить наилучшие условия для растворения карбидов. Охлаждение чаще всего проводят в масле.

Существенно уменьшить деформацию позволяет ступенчатая термообработка стали в расплавах солей, где закалка выполняется при температуре около 500 °C. Для увеличения твёрдости изделий далее следует двукратный отпуск при 570 °C. Длительность процесса составляет 1 час, а на его режим влияют химические свойства легирующих элементов и температура, определяющая скорость выделения карбидов.

Закалка стали — как правильно закалить металл в домашних условиях

Как закалить металл в домашних условиях? Закалка — это вид термической обработки железоуглеродистых сплавов. Эти сплавы формально называют сталью. Как правило, процесс термической обработки стали осуществляется путем нагревания, быстрого охлаждения и повторного нагрева выбранного материала.

Когда сталь быстро охлаждается, атомы «замораживаются» в нестабильном положении. Сталь очень твердая, но очень хрупкая. При отпуске стали атомам разрешается перестраиваться в более устойчивое положение. Твердость стали приносится в жертву пластичности (способность материалов к растяжению или деформации). Конечным результатом является материал с повышенной прочностью и ударной вязкостью.

Эти свойства позволяют материалу изгибаться перед разрушением и не ломаться, что может быть полезным во многих структурных применениях. Выполненные этапы представляют собой общую схему, демонстрирующую, как некоторые механические свойства стали повышаются при отпуске. Различные составы и другие сплавы стали могут требовать различного времени нагрева и температуры, а также разных закалочных сред в зависимости от использования материала. В нашем общем случае потребуется 10-15 минут.

Если ваши шаги отличаются от того, что приведено в общей процедуре, то, возможно, потребуется предпринять дополнительные меры для обеспечения надлежащей безопасности. Огонь будет исходить от паяльной лампы, поэтому будьте предельно осторожны при нагревании стали. Наконец, рекомендуется всегда надевать защитные перчатки, особенно для более сложных процедур.

Вещи, которые вам понадобятся:

• Паяльная лампа
• Два стальных стержня марки 1040 по 15 см
• Огнетушитель
• Защитные очки и перчатки
• Холодная водопроводная вода в большом ведре

Шаг 1: Согните стержни

Убедитесь, что окружающая среда безопасна. Возьмите два стальных стержня и согните их в форме буквы «U». Будьте осторожны, чтобы не перегнуть их слишком сильно и не сломать сталь.

Шаг 2: Зажгите паяльную лампу

Включите газ и зажгите горелку. Обязательно направляйте горелку в сторону от своего тела, как показано на фотографии. Убедитесь, что пока лампа горит, никто не находится ближе чем 1 метр от неё. На случай чрезвычайной ситуации поблизости должен находиться огнетушитель.

Шаг 3: Нагрев

Поместите изогнутую часть («U») в самую горячую часть пламени, удерживая стержень за два конца. Самая горячая часть пламени — маленький конус посередине пламени. Вращайте, пока он нагревается пламенем, чтобы нагрев был равномерным. Тепло от паяльной лампы «возбуждает» атомы и они становятся более подвижными, начиная перестраиваться.

Шаг 4: Гашение

Когда стержень станет темно-оранжевого цвета, выньте его из пламени и быстро окуните в воду в ведре, как показано на фотографии (это называется гашением). Тушение резко уменьшает движение атомов и может быть расценено как «замораживание» атомов на месте. В этот момент атомы находятся в нестабильном положении.

Шаг 5: Повторите

Повторите шаги 3 и 4 со вторым стержнем.

Шаг 6:

Возьмите второй стальной стержень и закалите его, нагревая факелом в течение примерно 10 секунд. Не трогайте первый! Снова погасите его в воде. Это позволит атомам «расслабиться» и расположиться в более устойчивом положении.

Шаг 7: Выпрямление стержней

Попытайтесь правильно выпрямить оба стержня, чтобы понять разницу в их механических свойствах. Первый стержень (который не был отпущен), будет очень хрупким и сломается, поскольку атомы не находятся в устойчивом положении. Второй (стержень, который был разогрет или отпущен), согнется, но форма «U» останется. Поскольку этот стержень был отпущен, и атомам было позволено «расслабиться» в устойчивом положении, материал становится прочнее и жестче.

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.