Отпуск металла в домашних условиях

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 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.

Читать еще:  Абразивные насадки на дрель для обработки металла

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.

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.).

Читать еще:  Декоративные изделия из металла своими руками

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).

Термическая обработка металла (закалка и отпуск).

Назначение закалки заключается в том, чтобы придать изделию высокую твердость и прочность. Однако при закалке с повышением твердости сталь становится более хрупкой. Для закалки металл нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают в специальной охлаждающей среде. В зависимости от режима закалки одна и та же сталь приобретает различные структуры и свойства. Для получения наилучших результатов металл равномерно нагревают до температуры 740-850ºС и затем быстро охлаждают до 400-450ºС. Скорость охлаждения составляет не менее 150ºС в секунду, т.е. охлаждение должно произойти в течение всего 2-3 секунд. Последующее охлаждение (ниже 300ºС) может протекать при любой скорости, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения не оказывает на нее влияния. В качестве охлаждающей среды чаще всего употребляют воду и трансформаторное масло. Скорость охлаждения в воде выше, чем в масле. При температуре воды 18ºС скорость охлаждения достигает 600ºС в секунду, а в масле — до 150°С. Для придания изделию большей твердости закалку металла производят в проточной воде. При охлаждении горячей поковки в стоячей воде между водой и поковкой возникает слой пара, изолирующий нагретую поковку от охлаждающей среды. Во избежание этого пользуются проточной водой. Иногда для повышения закаливающей способности в воду добавляют поваренную соль (до 10%) или серную кислоту (до 10-12%). Нагрев изделия выше критической точки придает металлу крупнозернистое строение, что приводит к нежелательным последствиям: короблению, деформации и появлению трещин. К тому же приводит и быстрое охлаждение. При закалке инструментов применяют закалочные печи, которые делятся на камерные, или пламенные, где изделие нагревается открытым пламенем; электрические муфельные; печи-ванны, представляющие собой тигли, наполненные расплавами солей, например хлористым барием. Нагревание в ваннах наиболее удобно вследствие того, что температура ванны всегда постоянная и закаливаемый инструмент не может нагреться выше этой температуры. Кроме того, нагрев в жидкой среде идет в два раза быстрее, чем в воздушной, а в расплавленном металле— в четыре раза быстрее. Например, для закалки мелких стальных изделий используют расплавленный свинец. Мелкие заготовки погружают в ванны и сверху кладут древесный уголь, который при горении на поверхности свинца создает восстановительное пламя — свинец не окисляется. Чтобы свинец не оседал на стальных изделиях, их смазывают мучным клейстером с поваренной солью.

При нагревании инструмента в муфелях применяют следующие режимы

1. Изделия загружают в холодную печь и постепенно вместе с печью нагревают. Время нагрева продолжительное, но температурное напряжение, возникающее в изделиях, наименьшее. 2. Изделия загружают в печь, нагретую до заданной температуры, и прогревают. Время нагрева в данном случае меньше, но температурное напряжение больше, чем при предыдущем режиме. 3. Изделия загружают в печь, температура которой выше необходимой для закалки, в процессе нагрева температуру снижают до заданной. Скорость нагрева высокая, но и напряжение, возникающее в изделиях, очень велико. 4. Изделия загружают в печь, а температуру непрерывно поддерживают выше необходимой. Изделия нагревают до заданной температуры, но ниже температуры печи. Это наиболее форсированный режим, напряжение достигает максимальных величин. В последнее время для нагрева под закалку применяют токи высокой частоты. Закаливаемую деталь помещают в специальный индуктор, по которому пропускают ток высокой частоты, и деталь очень быстро нагревается до необходимой температуры. После закалки необходимо произвести отпуск. Он смягчает действия закалки, повышает вязкость и уменьшает хрупкость и твердость изделия. Кроме того, отпуск устраняет или снижает напряжение, вызванное закалкой. Для определения температуры отпуска до сих пор очень часто пользуются цветами побежалости. Если очищенное от окалины стальное изделие нагревать, то, начиная с температуры 220 °С на нем образуется тонкая пленка оксидов железа, придающая изделию различные цвета — от светло-желтого до серого. С повышением температуры или увеличением времени пребывания изделия при данной температуре оксидная пленка утолщается и цвет ее изменяется.

Читать еще:  Какой угол заточки сверла по металлу

При отпуске закаленных инструментов применяют два способа

1. Поверхность закаленного инструмента хорошо отшлифовывают мелкой шкуркой и затем нагревают. По мере того как температура нагрева повышается, на чистой поверхности инструмента появляются цвета побежалости. Когда появится нужный цвет и, следовательно, изделие будет нагрето до определенной температуры, его быстро охлаждают в воде. За цветами нужно следить внимательно, некоторые из них, как, например, светло-красный, сменяются быстро. 2. При закалке многих инструментов — чеканов, штихелей, резцов, молотков и др., требуется, чтобы закаленной была только рабочая часть, а сам инструмент оставался незакаленным, сырым. В этом случае инструмент нагревают немного выше режущего (рабочего) конца до требуемой температуры, после чего охлаждают в воде только рабочую часть, а место выше рабочей части остается горячим. Быстро вынув инструмент из воды, зачищают рабочую часто (шкуркой или трением о землю). Теплота, оставшаяся в неохлажденной части, поднимает температуру охлажденного конца, и после появления на нем нужного цвета побежалости инструмент охлаждают окончательно.

При закалке металла

При закалке инструмента с двумя концами, например, кирки, молотка и др., трудность заключается в том, что в изделии должны быть закалены только два рабочих конца, а середина должна оставаться незакаленной. Закалку производят за один нагрев. Изделие равномерно нагревают до нужной температуры, и в воду опускают в первую очередь конец, имеющий меньшую массу, т.е. тот, который может быстрее охладиться. При охлаждении в воде только конца рабочей части нужно внимательно следить за нагретым вторым концом, чтобы он не охладился. Быстро вынув первый конец и зачистив его шкуркой, второй (только рабочую часть) погружают в воду. При этом следят за цветами побежалости первого конца; как только появляется нужный цвет, снова опускают первый конец в воду, второй быстро зачищают и следят за цветами на втором конце. При появлении нужного цвета также замачивают в воде. Так, периодически меняя положение концов, изделие остужают. Запас температуры должен оставаться в средней части инструмента, поэтому при закалке пользуются клещами с узкими губками. Большие плоскости холодных губок клещей отбирают теплоту в зоне прикосновения. Для закалки более мелких изделий можно использовать клещи с массивными губками, изделие в таком случае нагревают вместе с клещами. Клещи применяют при местном отпуске, когда в каком-то участке стального закаленного изделия нужно сделать отверстие, а его твердость не позволяет этого. Тогда берут клещи нужного размера, нагревают их до красного или светло-красного каления и захватывают металл в зоне будущего отверстия.

За отпуском металла можно следить по цветам побежалости

Этот прием используется при отпуске тонких стальных изделий — кос, пил и т.д. В процессе нагрева стальных изделий происходит их окисление и обезуглероживание. Образование на поверхности окалины происходит за счет образования оксидов железа и приводит к угару металла, искажению геометрической формы изделий, уменьшению теплопроводности, что понижает скорость нагрева изделия. Кроме того, повышается твердость и затрудняется механическая обработка. Окалину с изделий удаляют либо механическим, либо химическим путем (травлением). Обезуглероживание состоит в выгорании углерода с поверхности изделия. Обезуглероженный слой обладает пониженной твёрдостью и прочностью. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглероживание, зависит от состава печной атмосферы и температуры нагрева. Чем выше нагрев, тем быстрее идут процессы. Чтобы избежать образования окалины, мелкие изделия (чеканы, стамески и т.п.) помещают в отрезок трубы и вместе с ней закладывают в горн. Иногда при закалке применяют пасту следующего состава (г): жидкое стекло— 100, огнеупорная глина— 75, графит— 25, бура— 14, карборунд — 30, вода — 200. Пасту наносят на изделие и дают просохнуть, затем изделие нагревают обычным способом. После закалки изделие промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах из быстрорежущих сталей иногда их покрывают бурой. Для этого инструмент, нагретый до 850ºС, погружают в насыщенный раствор или порошок буры. По музейным экспонатам и архивным документам в домашних условиях можно выковать мечи, сплести настоящие кольчуги, смастерить щиты и выделать ароматные кожи. Например, раскопки позволили нам увидеть оружие военного Синая: малый меч, имеющий 40 см в длину, сделанный для фараона в период его детства, и более тяжелый и длинный — 59 см. У обоих мечей клинок, эфес и рукоять представляют собой единый кусок металла. Большой меч был рассчитан на дробящий, а не режущий удар: внешняя, выгнутая сторона его клинка выражена слабо. Тем не менее большой меч должен был наносить страшные раны, т.к. из-за массивного клинка, доходящего в толщину до 0,7 см, он имел значительный вес.

Виды древнего средневекового оружия и способы его изготовления в современных условиях

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector