Несложная технология правильного закаливания металла в домашних условиях

Лого
0
446


При изготовлении различных изделий из стали или сплавов иногда возникает вопрос о том, как правильно закалить металла в домашних условиях. Мастер перед собой ставит цель – получить деталь, которая обладает определенной прочностью. Не всегда удается осуществить закалку, даже имея нужное оборудование. Причин бывает несколько. Во многих случаях можно преодолеть препятствия и добиться требуемого результата.

Желая производить подобные заготовки, изготавливают малогабаритное технологическое оборудование. С его помощью можно выполнять термообработку стальных изделий.

Введение в металловедение

В технологии термической обработки сталей предусматривается ряд способов теплового воздействия. В результате меняется размер зерна. От этого меняется твердость.

В составе стали имеются:

  1. Феррит – это основная составляющая. Зерна металла под микроскопом легко увидеть. Они обычно на шлифах представлены в виде белого или светло-серого цвета.
  2. Перлит – это эвтектоидное механическое соединение железа и углерода. Для этой составляющей отмечают высокую твердость и прочность.
  3. Цементит – предельное соединение железа с углеродом Fe₃C. Одна чистый цементит довольно хрупкое вещество.
  4. Графит – одна из форм углерода. В металлах он может быть представлен в виде шарообразных включений. Его присутствие отмечают в дамасских сталях, которые получают методом ковки.
  5. Аустенит – одна из форм сплава. Она возникает при температуре 727 ⁰С и выше. Данная составляющая представляет псевдоожиженный металл. Для него характерна высокая пластичность, податливость. Появление аустенита при нагревании определяется по отсутствию магнитных свойств.

Принята классификация соединения – железо-цементит в следующих значениях:

  • 0,0…2,18 % углерода – это стали;
  • 2,14…6,67 % углерода – чугуны.

У сталей есть и еще различия:

  • 0,0…0,8 – низкоуглеродистые стали;
  • 0,8…2,14 – углеродистые стали.

Диаграмма Fe – Fe₃C. В зависимости от температуры и концентрации железа и углерода образуются разные виды соединений. Они определяют механические свойства металла:

Железо-углерод

Термообработка

Тепловая обработка металла выполняется ради изменения характеристик сплава железа с углеродом.

Отжиг – термообработка, целью которой является снижение прочностных свойств стали. Производится путем нагревания до температуры выше аустенитного состояния с последующим медленным охлаждением (до 6…8 часов) в камере, где производился разогрев.

Нормализация – вариант отжига, производимого для снижения напряжений внутри металла. Обычно нормализацию выполняют, нагревая до 727 ⁰С и выше с медленным охлаждением (до 1…2 часов) при открытых дверках нагревательной печи.

Закалка – метод изменения размеров зерна при резком охлаждении металла из состояния аустенита до значений окружающей среды.

Отпуск – термическая обработка, в результате которой снимаются внутренние напряжения в металле. Различают: низкий, средний и высокий отпуск. Для каждого характерны свои значения температур.

Проверка твердости

Твердость металлов определяют двумя методами:

  1. По Бринеллю, в металл вдавливается металлический шарик.
  2. По Роквеллу, заключается во вдавливании конуса из прочной пирамиды (алмаз) небольшого размера.

При определении твердости по Бринеллю измеряют размер следа, оставленного шариком при надавливании с усилием, величина которого зависит от предполагаемой твердости и использованного шарика. В испытаниях используют шарики разного диаметра (1,…10 мм). Перерасчет показаний выполняют по формуле:

Формула Бринелля

Где F – сила, прилагаемая на приборе, Н; D – диаметр шарика, используемого при проверке твердости, мм; d – диаметр отпечатка. Измеряется под микроскопом, у которого имеет специальная линейка. Точность измерений до 0,01 мм.

Данный метод рекомендован для определения твердости не более 300…320 единиц. Если требуется определить более твердые предметы, то используют прибор Роквелла. По этой шкале информацию обозначают HRC и числовое значение.

На основании многочисленных исследований установлено, что для ножевой стали показатель HRC 55…63 будет довольно высоким. При проектировании зубчатых передач и изготовлении шестерен также выполняют закалку поверхности зубьев. Конструкторы задают твердость до HRC 52…58. Металлорежущий инструмент (резцы, сверла, долбяки, фрезы) имеют твердость HRC 60…65.

Закалка и отпуск

Закалку производят путем нагревания до температуры выше получения аустенита. Для некоторых сталей рекомендуют некоторый перегрев, который необходим для получения псевдоожиженного состояния по всей массе металла.

Закалить можно углеродистые стали, в которых содержание углерода превышает 0,8 %. При меньшем значении закалка не получается. Быстрое охлаждение не формирует мелкое зерно металла.

До и после закалки

Кристаллическая решетка стали до (а) и после (б) закалки. Получено путем исследования шлифов образцов стали

Закалку выполняют в воздухе, воде и масле. В основном проще выполнить закалку в масле, причины в следующем:

  • При погружении в масло на поверхности металла не образуются пузырьки кипящей жидкости, которые снижают скорость охлаждения.
  • Вокруг металлического предмета образуется циркулирующий поток жидкости, который активизирует процесс конвективной теплоотдачи.
  • Масло перед закалкой можно нагреть до температуры 250…350 ⁰С. Тогда осуществляется двухступенчатый процесс закаливания (в масле и воде, один за другим).
Внимание! В некоторых источниках можно прочитать, что закалку выполняют на газовой плите. Подобное могут написать только дилетанты, которые никогда не добивались реального результата.

Температуру определяют с помощью пирометра излучения. Точность измерений до 1…3 ⁰С. Но стоимость подобного прибора довольно высока. Поэтому нагрев до того или иного значения определяют визуально. Для этого пользуются специальными таблицами. Ориентируясь на цвета можно попытаться самостоятельно закалить металл.

Цветовая диаграмма нагрева стали:

Цвет и нагрев

Отпуск проводят с целью снятия внутренних напряжений в металле. Деталь нагревают до нужной температуры, а потом дают возможность медленно остывать на воздухе.

Различают несколько видов отпуска:

  1. Низкий, применяют для металлорежущего инструмента.
  2. Средний, используют для инструментов для обработки древесины.
  3. Высокий, находит использование в машиностроении для зубчатых передач или шкивов клиноременных трансмиссий.
Для визуального определения температуры нагрева пользуются пирометром. Можно приблизительно установить температуру нагрева, сопоставляя вид заготовки при нагревании с базовой таблицей. Нагревая сталь, на поверхности наблюдают цвета побежалости, они имеют различный окрас.

Цвета побежалости при нагревании сталей:

Цвета побежалости

Кроме углеродистых сталей термообработку выполняют для легированных сплавов. Наличие в составе металла дополнительных элементов улучшает прочностные характеристики.

В таблице показаны рекомендуемые режимы закалки и отпуска для разных видов сталей. Для ножа используют все виды представленных материалов.

Режим термообработки и твердость стали
Марки стали по ГОСТ Температура нагревания металла, ⁰С Среда для охлаждения Твердость после закалки, HRC Режим отпуска (⁰С) и получаемая твердость HRC
170…210 220…350 360…420 420…550
У7…У7Б 780…830 масло 58…62 59…63 57…60 52…54 48…53
У8…У8В 790…835 масло 60…64 60…65 58…60 51…55 47…50
У9…У9А 780…840 масло 56…63 58…62 54…59 49…53 48…53
У10…У10А 730…800 масло 58…62 57…64 57…64 48…53 49…52
У12…У12А 760…810 масло 59…64 60…65 58…60 49…52 49…52
40 740…820 масло 48…53 49…55 39…45 32…40 28…31
40Х 720…830 масло 50…54 52…57 48…50 44…49 29…32
35ХГСН 780…810 масло 45..52 45..52 35..42 45..52 38…40
5ХНМ 790…835 масло 45…50 46…52 40…48 46…52 36…40
5ХНВ 780…840 масло 48…52 48…52 44…47 40…48 38…40
65Г 730…810 вода/масло 59…64 59…64 55…57 51…54 46…48
ХВГ 760…820 вода/масло 54…59 56…60 48…50 42…47 33…36
ХВС 740…820 вода/масло 54…58 52…56 44…47 40…44 39…42
Х12М 720…830 вода/масло 50…57 48…53 55…57 53…55 36…38
9ХС 760…810 вода/масло 59…64 59…64 48…50 42…47 29…34
ШХ15, ШХ15СГ 760…820 масло 59…64 59…65 58…60 52…57 39…42
20Х 730…810 вода/масло 48…52 42…50 38…41 36…38 36…38
45 760…820 вода 41…49 34…37 32…35 30…34 29…32
14C28N 740…845 вода 50…57 45…49 41…44 39…42 32…34
8Cr13MoV 780…860 вода/масло 59…64 60…65 55…57 55…57 48…50
65Х13 760…855 вода/масло 48…52 49…55 48…50 44…48 38…40
95Х18 740…820 вода/масло 41…49 52…57 44…47 42…45 36…40

Изготовление горна

Чтобы самостоятельно проводить термообработку нужно использовать соответствующее оборудование.

Приобрести готовые установки довольно сложно, цена немаленькая. Но многие изготавливают горн для закалки и отпуска своими руками.

Пошаговое изготовление простого горна

Для изготовления используется шамотный кирпич. Он отличается от обычного кирпича тем, что в его составе присутствуют шамотная глина, способная выдержать нагрев более 2500 ⁰С.

Отличить шамотный от обыкновенного кирпича несложно. На поверхности имеется выдавленный круг диаметром 55 мм. Сама структура заметно отличается от обжигового изделия.

Предварительная сборка

Чтобы кирпичи сохраняли постоянную форму, можно их скрепить с помощью специального раствора. Но на практике поступают иначе. Из уголка сваривают рамку. Она не позволит изменять форму. По центру устанавливают чугунный цилиндр (используется в двигателях внутреннего сгорания). В данном случае применяли цилиндр от танкового двигателя В-2М.

Накладка рамки из уголка

Чтобы кирпичи не выпадали, приваривают опорные ребра. На них будет распределяться нагрузка от основных фрагментов горна.

Ребра жесткости

Поставив цилиндр на уголки, размечают вырезы. Их придется выполнить с помощью отрезных дисков и УШМ.

Разметка для резки

После разметки видны линии, оставленные чертилкой.

Линии реза для болгарки

Выполнены необходимые резы. Остается приварить ребра по месту.

Ребра жесткости готовы к приварке

Удерживая детали по месту, выполняют точечную приварку комплектующих. Убедившись, что детали расположились в нужном месте, проводят окончательную сварку каркаса горна.

Сварка каркаса

Перевернув рамку, рассматривают, как будет выглядеть каркас горна в рабочем положении.

Лицевая сторона каркаса

Теперь нужно правильно уложить кирпичи. Видно, что на них выполнена выборка. Образуется некоторый уступ, расположенный ниже уровня поверхности кирпича.

Раскладка кирпичей

Уложив все кирпичи на место, можно видеть образование выемки. Ее назначение – установка колосника.

Заготовка

Колосник установлен в центре горна. Он предназначен для подачи воздуха снизу в зону горения. Только при наличии потока воздуха можно гарантировать постоянство горения топлива. Но для получения температуры выше 1300 ⁰С потребуется принудительная подача воздушного потока от вентилятора.

Установка колосника

К цилиндру потребуется приварить трубу, у которой будут:

  • вентилятор центробежного типа;
  • заглушка для сброса продуктов горения.

Труба поддува

Выполняется примерка вентилятора. Для его подвода нужна промежуточная профильная труба. Необходимо ее вварить так, чтобы поток воздуха поступал в зону горения без лишних сопротивлений.

Предварительная подгонка вентилятора

Производится разметка отверстия в цилиндрической трубе.

Разметка

После первых резов нужно разметить остальные элементы.

Подрезанная профильная труба

Детали готовы для сборки. Остается зафиксировать детали, а потом сварить всю конструкцию поддува.

Прорез для установки вентилятора

Получилась конструкция, приваренная к цилиндру. Теперь предстоит провести монтаж вентилятора.

Сварка поддува

Система принудительной подачи воздуха в горн готова. Пора собрать остальную конструкцию малогабаритного горна.

Монтаж вентилятора

Еще один вид. Проверяется качество сварных швов.

Основание сварено

После покраски горн приобретает профессиональный вид. Он смонтирован на опорах. Высота подбирается по росту мастера, который будет работать на этом горне.

Горн в сборе

На трубе имеется поворотная заслонка. Она нужна для временного перекрытия доступа к вентилятору. Обычно перекрывают, когда возникает необходимость прочистки колосников.

Заслонка для вентилятора

Снизу имеется крышка. В положении «закрыто» она удерживается противовесом. Чтобы открыть проход для шлака и других продуктов горения, достаточно слегка повернуть противовес. Отверстие откроется. Шлак покинет горн.

Нижняя заслонка

Кирпичи занимают свое место. Скоро горн будет готов к работе.

Верхняя часть собрана

Чтобы ограничить тепловые потери устанавливают экран. Это листовая сталь, которую устанавливают по периметру горна.  Спереди смонтирована ручка. Она нужна для подвешивания вспомогательных инструментов, которыми пользуется кузнец при выполнении работы.

Защитные пластины

Уложив топливо (начинают розжиг с обычных стружек и щепок), разжигают огонь. Постепенно подсыпают уголь. Он является основным топливом для горна.

Розжиг

После включения в работу вентилятора интенсивность горения возрастает. Угли начинают гореть не красным, а белым цветом. Температура пламени возрастает свыше 1000 ⁰С. Теперь на горне можно разогревать детали, чтобы в дальнейшем ковать металл или закаливать заготовки.

Работает вентилятор

Кроме горна кузнецы используют наковальни. Основная работа по формированию нужной формы выполняется на ней. Работают тяжелыми и легкими молотами. Дополнительно используют ручьи, имеющие разную форму.

Горн и наковальня

Как выполнить закалку?

Когда есть горн, то закалку можно выполнить довольно просто:

  1. Сначала разводят огонь. Для розжига используют древесину небольшого формата (щепки, мелкие ветки, стружку от деревообработки и бумагу).
  2. Готовят емкости, в которых будут производить закалку. Минеральное масло (отработка от двигателей внутреннего сгорания) является лучшим охлаждением для деталей. Ёмкость должна позволять загрузить деталь полностью. Синтетические и полусинтетические масла использовать можно, но следует иметь в виду, что некоторые могут закипать. Скорость охлаждения будет снижаться. Поэтому использование подобного масла применяют с осторожностью.
  3. Емкость для воды нужна, чтобы промывать детали после закалки.
  4. Потребуется уголь. Используют бурые и черные угли. На практике часто применяют древесный уголь, полученный после обработки березы.
  5. Чтобы брать заготовку и перемещать ее внутри кузни, понадобятся клещи. У опытных кузнецов имеются несколько типов клещей.
  6. После получения стабильного огня на колосниках можно подсыпать уголь. Сначала он разгорается медленно. При включении подачи воздуха начинается интенсивный разогрев. Угольки меняют окраску на белый цвет.
  7. Пора закладывать деталь, которую хотят закалить. Ее кладут в огонь. Наблюдают за разогревом.
  8. Нужен магнит. Он покажет, наступил нужный нагрев или нет. Аустенит не магнитится.
  9. При возникновении свечения темно-вишневого цвета можно рассчитывать на нагрев до близких значений температуры.
  10. Вынимают заготовку и пробуют, намагничивается она или нет. Если нет, то температура достигнута.
  11. Нужен прогрев не менее 15…20 минут. Теплопроводность разогретого металла низкая, поэтому внутри массивных предметов может возникнуть не полный прогрев. В этом случае при закалке наблюдают изгибы.
  12. Вынув деталь из огня, ее опускают в масло в несколько этапов. Опускают и поднимают ритмичными движениями. Так добиваются высокой скорости охлаждения. Поднимая и опуская, перемешивают охлаждающую жидкость в процессе закалки. Может возникнуть пламя. Оно быстро погаснет.
  13. Остается промыть деталь.
  14. Проверить произошло закаливание или нет можно напильником. Если напильник «не берет», значит, произошло закаливание.

Испытывают качество закаливания на стекле. Если удается оставить след на стекле закаленной деталью, то получена твердость HRC более 55 единиц.

Видео: как закалить металл своими руками?

Отпуск

Для проведения отпуска можно воспользоваться обычной газовой плитой. В духовке легко установить нужную температуру 180…220 ⁰С. Остается поместить деталь на 10…20 минут в разогретую духовку. Потом потребуется вынуть заготовку наружу и дать ей остыть.

При использовании инструментальных сталей наблюдают некоторое увеличение твердости после низкого отпуска.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars 0 голосов
Загрузка...
0 Комментариев