Как сделать металл пластичным

Обновлено: 05.10.2024

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.

Сборка самодельного ножа

Выполнив все указанные выше операции и доведя сталь ножа до необходимой твердости, переходим к сборке. Подгоняем форму накладок к хвостовику ножа и вырезаем дополнительно две вставки из кожи.

Затем смазываем детали клеем, устанавливаем на клею латунные вставки и оставляем сушиться на несколько часов.

Крайнюю вставку лучше изготовить не из стержня, а из трубочки требуемого диаметра. Это поможет крепить готовое изделие при эксплуатации на кожаный ремешок, что предохранит его потерю в походах, на рыбалке или охоте.

После высыхания клея тщательно обработайте рукоятку и лезвие наждачной бумагой. Для защиты клинка от коррозии его достаточно хорошо отполировать после окончательной заточки и доводки.

Рекомендуем другие статьи по теме

Как самому сделать лазерный уровень — обзор конструкций, сборка простого варианта

Выбор и применение клеевого пистолета

Колун для дров — виды приспособлений, их сборка своими руками

Изготовление лодки своими руками: из стеклопластика, фанеры или пенопласта?

Что представляет собой отжиг

Отжиг — это один из методов термической обработки металла и стали. В его основе лежит нагрев до очень высокой температуры. То есть металл нагревается до нужной температуры в зависимости от цели и метода, выдерживается в таком состоянии на какое-то время, а затем постепенно охлаждается.

Отжиг может проводиться в самых разнообразных случаях. Для примера можно рассмотреть самые основные. Обычно он проводится в следующих целях:

для уменьшения внутренней напряженности металла, который может возникнуть в результате ковки, иного воздействия на него, или обработки;
для повышения механических свойств и прочности металла;
для придания однородности его структуре;
чтобы улучшить пластичность, что очень важно во время обработки;
для повышения уровня сопротивляемости и ударной вязкости и др.

Виды особенности

В зависимости от цели и предназначения отжиг может иметь следующие разновидности:

полный и неполный;
рекристаллизационный;
диффузионный;
изотермический;
сфероидизация;
нормализация и др.

Более подробно рассмотрим некоторые из них.

Технология полного отжига

Полный отжиг проводится в целях измельчения зерна и улучшения качества обработки с использованием режущего инструмента, а также для устранения внутренней напряженности. Ему подвергаются изделия, изготовленные из доэвтектоидного сплава или стали, в составе которой содержится карбон в количестве, не превышающем 0,8%. К таким изделиям относятся кованые и литые детали.

Что касается технологии: изделие подвергается нагреву, который достигает критической точки, равной примерно 20−50 градусов, имеющий условное обозначение А3. Затем выдерживают в этом состоянии столько, сколько необходимо, и медленно охлаждают. Температура нагрева определяется в зависимости от типа стали по диаграмме состояния. Для каждого типа стали существуют определенные значения температур, при которых достигается необходимая степень нагрева. Эти значения можно найти в справочных таблицах.

Время охлаждения также продиктовано структурой и составом стали, например, изделия из углеродистой стали охлаждают на 180−200 градусов в час, низколегированные стальные детали охлаждаются на 90 градусов в час, высоколегированную сталь, если она подвергается полному отжигу, охлаждают еще медленнее — 50 градусов в час. Поскольку изделия из высоколегированной стали зачастую подвергают другому типу термической обработки, изотермическому, однако бывают и исключения.

Вследствие полного отжига неоднородная структура углеродистой и доэвтектоидной стали, состоящая из крупных и мелких зерен и зачастую не удовлетворяющая по своим механическим свойствам, становится однородной и податливой для обработки. Именно в этих целях и проводится полный отжиг.

Особенности и цель неполного отжига

Если полный отжиг предназначается для изделий, не отвечающих никаким требованиям, то неполный проводится на тех же объектах с более или менее удовлетворительными механическими свойствами. То есть в результате неполной термической обработки изменится лишь перлитовая структура металла, а ферритовая останется неизменной. «Перлит» в переводе с французского означает «жемчужина», он входит в состав структуры стали, чугуна и иных железоуглеродистых сплавов. Перлит состоит из феррита и цементита, образующих эвтектоидную смесь. Другими словами, основная цель — сделать сталь мягкой и пластичной, насколько это возможно.

Технологически процесс неполного отжига отличается степенью нагрева, в данном случае он достигает критической точки на 30−50 градусов выше до А1. Температура нагрева достигает 770 градусов, постепенное охлаждение происходит со скоростью 60 градусов в час: сначала в печи до 600 градусов, а затем на открытом воздухе.

Такая термообработка также применяется для заэвтектоидной и легированной стали. Она нагревается до критической точки Ас1, превышающей на 10−30 градусов. В результате такого нагрева происходит перекристаллизация сплава, которая, в свою очередь, способствует образованию сферической формы перлита. Этот процесс еще называется сфероидизацией.

Рекристаллизация и диффузия

Рекристаллизационный отжиг проводится с целью восстановления кристаллической решетки, нарушенной в результате деформации стали. Деформация приводит к наклепу, который сопровождается снижением пластичности, сталь становится очень жесткой, что делает ее обработку невозможной. Деформированная сталь нагревается до 650−680 градусов, вследствие чего ферритовые и перлитовые зерна, находящиеся в вытянутом в сторону деформации состоянии, распределяются равномерно, восстанавливая кристаллическую решетку и возвращая стали пластичность и мягкость.
Диффузионный отжиг проводится в целях выравнивания структурной однородности на химическом уровне, то есть на атомном. Такая необходимость может возникнуть во время затвердевания литых слитков, иначе этот эффект называется дендритной ликвацией. Гомогенизация, или диффузионный отжиг, позволяет ликвидировать дендритную ликвацию посредством перемещения атомов примесей из части с высоким скоплением в часть, где наблюдается их нехватка, таким образом выравнивая химическую структуру.

Чтобы данный процесс протекал успешно, нагрев проводится при очень высоких температурах, с более длительной выдержкой и с медленным охлаждением, в отличие от видов, рассмотренных выше. То есть это температуры, превышающие 1000 градусов, длительность выдержки составляет более 12 часов.

Как изготовить камеру для закаливания металла?

Самодельная муфельная печь сегодня просто необходима в домашнем хозяйстве. Она позволяет без лишних действий подвергнуть изделие термообработке.

Чтобы изготовить печь своими руками, понадобится огнеупорная глина, которую используют для покрытия котлов. Из этого материала создают камеру толщиной не более 1 см.

А ее размеры должны вписываться в следующие параметры длины, высоты и ширины – 210*105*75 мм.

Вылепляя муфельную печь своими руками, надо иметь заранее сделанную из картона форму. Ее лучше пропитать парафином, чтобы она не прилипала.

Глина намазывается на форму с изнаночной стороны, потому что так она не даст во время сушки сильной усадки. Когда глина затвердеет, то самостоятельно отойдет от граней формы.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Нарезка резьбы метчиком на трубе

Эта же огнеупорная глина послужит материалом для изготовления дверки печи. Затем самодельная муфельная печь в виде двух деталей должна просохнуть на открытом воздухе.

Затем ее до конца просушивают в печи при стоградусной температуре.

Потом дверку и камеру обжигают, мало-помалу увеличивая температуру до 900 градусов. Затем эти детали должны постепенно остынуть в самой печи.

Потом дверцу присоединяют к печи, осторожно действуя напильником и шлифуя поверхность шкуркой.

На камеру нужно намотать 18 метров нихромовой проволоки. Ее толщина должна быть 0,75 мм. Первый и последний витки скручивают.

Чтобы не было риска возникновения замыкания, расстояния между витками проволоки намазывают глиной. На подсохший слой глины намазывается еще один слой толщиной около 12 см.

Изготовленная своими руками самодельная муфельная печь помещается в каркас из металла размером 270*200*180 мм.

Чтобы корпус собирался легко, его целесообразнее сделать с двумя съемными крышками, которые фиксируются винтами.

К крышке впереди на петлю прикрепляют дверцу, она должна открываться по горизонтали. На данную дверку посредством болтов и прокладок необходимо установить деталь из керамики.

Оставшиеся зазоры снова залепляют глиной, а края проволоки убирают на заднюю крышку каркаса.

Затем готовится разъем и стандартный шнур с вилкой. Все отверстия между элементами для нагревания и каркасом нужно заполнить крошкой асбеста.

Чтобы установить термопару и иметь возможность следить за процессом нагревания, в камере желательно сделать две дырочки.

Первую – диаметром 1 см, вторую – 2 см. К этим отверстиям нужно прикрепить закрывающиеся металлические шторки.

Самодельная конструкция печи весит 10 кг и может в течение часа раскаляться до 950 градусов.

Ее наличие облегчает процесс закалки сверла, напильника, матрицы и многих других изделий из металла. Как самодельная печка закаливает металлическое оборудование, показано на видео.

Хотя муфельное оборудование, закаляющее металл, не единственный вариант. Термообработку может выполнить камерное и пламенное оборудование, электропечь, термопечь, а также печи-ванны.

Во всяком случае, сделать прибор для закалки самостоятельно выгоднее, чем покупать его. Например, средняя цена муфельной печи – 40 тысяч.

Электропечь используется для закалки металла при температуре около 1300 градусов и стоит электропечь гораздо дороже.

3 способа самостоятельной закалки металла

Расскажем о трех способах закалки металла в домашних условиях, охлаждении и контроле качества. Как правильно провести закалку стали в масле и на открытом огне. Какое масло выбрать. Особенности закалки алюминия и меди.

Как можно закалить металл в домашних условиях, наверное, знает каждый мастер, работающий со слесарным или столярным инструментом. Считается, что для этого достаточно разогреть изделие докрасна, а затем охладить его в емкости с водой

Однако в домашней мастерской этим способом можно получить только твердый и хрупкий металл, который вполне подходит для стамесок и ножей, но непригоден для молотков, кернеров или зубил. Режимы термообработки зависят от марки стали и требуемых параметров изделия после закалки, а к ним относятся не только твердость, но и прочность, износостойкость, пластичность и вязкость.

В домашних мастерских, как правило, отсутствуют измерительные приборы, с помощью которых можно узнать температуру детали. Поэтому для того, чтобы закалить деталь, границы нагрева и отпуска приходится распознавать по цвету металла или его побежалости.

Кроме того, перед тем как закалить какое-либо изделие, мастер должен определить (хотя бы приблизительно) марку стали или сплава, из которого оно изготовлено.

Со временем накапливаются и знания, и навыки, но начинающему термисту даже для того, чтобы в домашних условиях успешно закалить сверло, резец или какой-нибудь крепеж, сначала придется пополнить свой теоретический багаж, пообщаться с опытными специалистами и сделать несколько пробных закалок.

Способы бытовой закалки металла

Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей.

Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали.

К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки.

На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.

Для того чтобы закалить изделие из стали с полным и равномерным прогревом, лучше всего воспользоваться такими источниками тепла, как кузнечные горны и закрытые печи. Это оборудование несложно изготовить самому в домашней мастерской, а эксплуатировать его можно как в помещении, так и на открытом воздухе.

Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия.

Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.

Закалка на открытом огне

Самый простой способ закалить небольшую деталь в домашних условиях — это нагреть ее на открытом пламени до нужной температуры, руководствуясь при этом цветовыми таблицами.

В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке.

Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров.

Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.

Распространенные среды для самостоятельного каления

Для закалки сталей в домашних условиях обычно используют следующие охлаждающие среды: воздух, воду и водные растворы, минеральное масло. В качестве водных растворов обычно используют 10-15%-й хлористого натрия (поваренной соли), а минеральное масло в домашних мастерских — это чаще всего обычная моторная отработка.

Чтобы закалить отдельные части изделия с разной твердостью, используют закалку с последовательным охлаждением в двух средах. Каждая из этих закалочных сред характеризуется своей скоростью охлаждения, от которой напрямую зависит структура обрабатываемого металла.

К примеру, воздух охлаждает сталь со скоростью 5÷10 °C в секунду, масло — 140÷150 °C, а вода (в зависимости от температуры) — 700÷1400 °C.

Чтобы правильно и без проблем закалить свое изделие, необходимо знать марку металла, из которого оно изготовлено, т. к. от этого зависит как температура нагрева, так и способ охлаждения. Народные умельцы для своих изделий в качестве исходных материалов чаще всего используют б/у изделия из быстрорежущих и инструментальных сталей, которые можно закалить в домашней мастерской.

Ниже в таблице приведены рекомендуемые температурные режимы и среды охлаждения для различных сталей.

Закалка металла в масле

Масло довольно плохо проводит тепло, что способствует более медленному формированию структурных элементов стали. Поэтому, если ее закалить в масляной среде, она наравне с твердостью приобретет прочность и упругость.

На производстве для закалки обычно используют индустриальное масло И-20 или современные закалочные масла типа «Термойл», «Термо» или «Волтекс». В домашних мастерских народные умельцы пользуются тем, что имеется в наличии. Чаще всего это новое или отработанное моторное масло.

Чтобы безопасно закалить деталь в таком масле в домашних условиях, нужно помнить, что у него по сравнению с промышленными закалочными жидкостями гораздо более низкая температура вспышки, и при погружении в него раскаленного металла оно на короткий срок загорается с выделением едкого дыма.

Поэтому закалочная емкость, применяемая в домашней мастерской, должна иметь минимальную открытую поверхность и использоваться только на открытом воздухе или в проветриваемом помещении. Помимо обычных ведер и жестяных банок, одна из самых распространенных конструкций такой емкости, которой пользуются домашние мастера — это удлиненный отрезок трубы подходящего диаметра с приваренным днищем.

Изготовление камеры для закаливания металла

Основным материалом для изготовления корпусов домашних печей для закалки стали являются твердые огнеупоры в виде блоков различных размеров и шамотная глина.

В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота.

Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой. При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода.

Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров. Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы.

Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства.

Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).

На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.

Подробное описание конструкции и рекомендации по созданию печи с верхней загрузкой, в которой можно закалить изделия длиной до 54 см, можно посмотреть в следующем видео. Здесь тепловой корпус печи изготовлен из шамотного кирпича (типа ШБ) и также используется терморегулятор. Кроме верхней загрузки, особенностью этого устройства является спираль из кантала, который служит во много раз дольше традиционного нихрома и фехраля.

Как самостоятельно провести отпуск

Отпуск стали проводят для снижения ее хрупкости и повышения пластичности, что происходит во время ее нагрева до невысокой (по сравнению с закалкой) температуры с последующим медленным охлаждением.

Для большинства сталей (углеродистых и низколегированных), которые можно закалить в домашней мастерской, отпуск проводится при температурах в интервале от 150 до 250 °C (см. таблицу выше). В отличие от закалки такой нагрев не требует специального оборудования, поэтому многие домашние мастера используют для этих целей духовки бытовых плит с терморегуляторами.

Определить температуру нагрева при отпуске можно по цвету побежалости — разноцветной оксидной пленки, возникающей на поверхности стали при нагреве (см. рис. ниже). Если закалить сталь «на мартенсит», т. е. с быстрым охлаждением в воде, то получится очень твердая, но хрупкая структура. Поэтому отпуск является обязательной процедурой при термической обработке режущего инструмента.

Проверка качества закалки

Для того чтобы определить, удалось ли закалить изделие из стали до нужной твердости, у домашнего мастера не так уж и много способов. Традиционный — это попробовать поцарапать металл надфилем (не алмазным), который обычно имеет твердость 55÷60 HRC.

Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме.

Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.

Особенности закалки алюминия

Необходимость закалить какое-либо изделие из алюминия в домашних условиях возникает достаточно редко, т. к. вся готовая продукция из литейных и деформируемых сплавов обычно проходят требуемую термообработку и в процессе эксплуатации практически не теряет своей твердости и жесткости.

Такая потребность у домашнего мастера может возникнуть после сварки между собой деталей из алюминиевых сплавов, т. к. в этом случае они очень часто теряют жесткость в области, прилегающей к сварному шву. Но в домашних условиях закалить алюминий очень сложно, т. к. для этого нужно точно знать тип сплава и выдерживать термические параметры с точностью как минимум ±5 °C.

Охлаждение тоже требует определенных навыков, т. к. при неточном соблюдении технологии изделие может повести. Если же все-таки хочется освоить этот вид термообработки для использования в домашних условиях, то в первую очередь необходимо обзавестись печью с точным терморегулятором, а также быть готовым к тому, что каждый раз придется закаливать поочередно несколько образцов для подбора нужных параметров термического процесса.

Особенности закалки меди

Технологии термообработки стали и меди имеют принципиальные отличия. Нагрев меди до красного каления (свыше 600 °C) и быстрое охлаждение в воде приводит к ее отпусканию (т. е. она становится мягкой).

Закалить медь в домашних условиях сложнее, чем отпустить, т. к. для этого ее нужно нагреть всего до 400 °C, при которых она не имеет свечения. После нагрева до указанной температуры медное изделие медленно остужается на воздухе, после чего оно приобретает твердость, как после нагартовки.

Если все-таки есть насущная потребность закалить какое-то количество медных деталей в условиях домашней мастерской, придется обзавестись пирометром для контроля температуры нагрева.

Мы описали два способа проверки качества закалки в домашних условиях. А какие знаете вы? Поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к этой статье.

Каленый металл

Что это такое? Каленый металл получают при помощи термической обработки и последующего резкого охлаждения. В результате применения данной методики атомная решетка материала перестраивается, его механические параметры изменяются.

Как сделать? Существуют разные методы закалки металла, каждый из которых используется в определенной ситуации. То есть, чтобы получить на выходе деталь с заранее заданными свойствами, необходимо верно выбрать технологию обработки, а также «правильный» охладитель.

Необходимость закалки металла

Для того чтобы получить каленый металл, существует методика, которая в общих чертах включает ряд последовательных операций. На первом этапе следует тщательно очистить поверхность заготовок, удалив пятна ржавчины, масло и грязь. Далее металл необходимо нагреть до требуемой температуры. Заканчивается процесс охлаждением и отпуском.

При соблюдении нужных параметров закалка изменяет структуру материала, улучшая его эксплуатационные характеристики, что позволяет увеличить прибыльность производства за счет снижения себестоимости продукции.

Металл подвергают закаливанию с целью:

увеличения твердости внешних слоев заготовки;
повышения прочности материала;
снижения пластичности до требуемых значений, что повышает стойкость металла к изгибающим нагрузкам;
облегчения готовых изделий за счет дополнительной прочности и твердости.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Как правило, закалке подлежат детали из углеродистой и легированной стали, однако в отдельных случаях могут закаливаться заготовки из меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов, титановые изделия.

Работа с цветными сплавами имеет специфику, так как после закаливания они могут не стать более прочными, но приобрести большую пластичность. В таких случаях металл отпускают в специальном режиме. После этой процедуры снимается напряжение, оставшееся после отливки, волочения, прокатки и других видов пластического деформирования.

Виды закалки, используемые технологии и охлаждающие среды

Существует несколько видов закалки, позволяющей улучшить характеристики металла:

Первый включает полиморфное вращение. Эта технология разработана для железных сплавов. Чтобы привести к нормальным показателям пластичность, вязкость и хрупкость, металл подвергают отпуску, после которого слегка снижаются прочностные показатели.
Второй не предусматривает полиморфного вращения и предназначен для цветных металлов и их сплавов. Чтобы привести свойства материала к требуемым показателям, его подвергают так называемому старению.

При закалке могут использоваться различные режимы и среды для охлаждения. Для каждого случая существуют отдельные технологии. Разберемся с тем, как сделать металл каленым посредством каждой из них:

Закаливание с применением одного охладителя, в ходе которого нагретые заготовки погружаются в жидкий охладитель до полного остывания.
Изотермическое закаливание подразумевает выдерживание изделий в охладителе до наступления аустенитного превращения в структуре металла.
Прерывистое закаливание проводится с использованием двух охладителей. На первом этапе заготовки проходят быстрое охлаждение в воде. Далее они медленно остывают во втором охладителе, которым чаще всего служит масло. Этот метод закалки используется для улучшения характеристик углеродистой стали.
Ступенчатое закаливание проводится в охладителе, температура которого превышает точку мартенситного превращения. В ходе охлаждения температура металла и среды выравнивается по всему объему заготовки. Далее детали постепенно охлаждают окончательно.
Струйчатое закаливание производится при помощи струи воды. Такой метод позволяет улучшать характеристики отдельных частей изделия и обеспечивает более высокое прокаливание.
Закаливание с самоотпуском. Если уменьшить время воздействия охладителя на заготовку, в толще металла сохраняется относительно высокая температура, которая, постепенно снижаясь и выходя наружу, снимает напряжение с металла, отпуская его. Такой метод требует от специалиста определенного навыка, так как требуется безошибочно определить момент, когда изделие нужно извлечь из ванны с охладителем.

Широко распространены технологии закалки с применением в качестве среды охлаждения воды, соляных и щелочных растворов, расплава свинца и различных технических масел.

Одним из самых востребованных является закаливание в растворах NaCl или едкого натра.

Особенности закалки металла

Важно учитывать, что скорость закаливания напрямую сказывается на его экономической эффективности, ведь от того, как быстро идет процесс, зависит расход энергии. Однако при слишком быстром нагреве заготовок увеличивается риск появления трещин и деформаций, вызванных резким перепадом температуры между внешними и глубокими слоями металла.

Поэтому очень важно постепенное и равномерное нагревание деталей. Ход процесса обязательно должны контролировать опытные специалисты, ориентируясь на специальные таблицы и значения, полученные опытным путем.

Не менее важным моментом является прямое влияние скорости охлаждения металла на структурные и химические преобразования в ходе термической обработки. Так, при быстром охлаждении с помощью воды комнатной температуры происходит мартенситное превращение в структуре углеродистой стали, а использование в качестве охлаждающей среды горячего масла или других горячих жидкостей ведет к образованию трооститов.

Для каждого типоразмера и конфигурации изделий должен подбираться отдельный режим термообработки. Именно этим вызвана необходимость разработки операционных карт и маршрутизации технологического процесса для производства новой продукции.

К примеру, для тонкостенных изделий и деталей, выполненных из углеродистой или легированной стали, в качестве охладителя используют минеральные масла, температура которых должна быть постоянной вне зависимости от окружающих условий. Охлаждающая среда при этом не должна содержать воды.

Углеродистую сталь сложного химического состава охлаждают поэтапно и с быстрой сменой охладителя. На первом этапе заготовки остывают в воде, а далее их погружают в техническое масло.

Для изделий и заготовок сложной геометрии применяют 50%-ный охлаждающий раствор едкого натра, нагретый до +60 °С. Для такой закалки характерно осветление поверхностных слоев металла.

Простые металлические изделия, как правило, закаливают, охлаждая их в простой воде без соли и других примесей при температуре около +30 °С.

Для визуального определения температуры металла при его закаливании используют таблицу цветов побежалости:

Вишнево-алый со светлым оттенком

Рассмотрим возможные изъяны, которые характерны для закаливаемых изделий. Такого рода дефекты могут быть исправимыми и неисправимыми. Первая разновидность, как правило, связана с неравномерностью закалки или с несоответствием полученной твердости металла требуемым значениям. Формирование таких изъянов обычно связано с нарушениями режима термической обработки и/или охлаждения заготовок.

Ко второй категории, помимо полного разрушения изделия, относится появление сколов и растрескивание. Причиной таких проблем чаще всего становится низкое качество металла.

Температурный режим при закалке металла

Нормативные значения температуры при закаливании металлических деталей находятся в прямой зависимости от углеродистости стали и процентного содержания легирующих компонентов. Как правило, эту зависимость можно определить так: понижение содержания углерода требует повышения температуры закаливания.

Недостаточный нагрев изделий не обеспечивает формирования нужной структуры, а избыточный ведет к разуглероживанию, окислению верхних слоев, деформациям и образованию зон внутренней напряженности.

Сложная геометрия изделий требует их предварительного подогрева, для чего заготовки несколько раз погружают в ванну с соляным раствором или недолго выдерживают в печи при температуре в диапазоне от +400 до +500 °С. Время, требуемое на прогрев, зависит от размеров деталей и их количества в загрузке. Важно следить, чтобы произошло полное и равномерное нагревание.

Для измерения температуры металла при промышленном производстве используют как контактные, так и бесконтактные пирометры. В последнее время широко распространено дистанционное определение температуры при помощи специальных инфракрасных приборов, которые дают возможность измерить ее значение на любом участке поверхности обрабатываемых заготовок. И, как уже говорилось, приблизительно оценить нагрев стали позволяют таблицы цветов побежалости.

Технологии отпуска каленого металла

Закаливание металла ведет к повышению хрупкости и формированию зон внутреннего напряжения, что может привести к разрушению стали под действием ударных нагрузок или иных повреждающих воздействиях. Для того чтобы снять напряжение и повысить пластичность материала, разработаны технологии отпуска.

Отпуск завершает процесс закалки и представляет собой нагрев заготовок до определенной температуры и их постепенное охлаждение, которое происходит на воздухе при комнатной температуре либо в специальных средах. Для отпуска используют ванны с маслом или расплавленным металлом.

Изменения, происходящие в структуре металла, и фазовые переходы находятся в прямой зависимости от температуры. С ее повышением происходит постепенное снижение твердости и хрупкости, сопровождаемое увеличением вязкости и пластичности. Различают три режима нагрева при отпуске закаленной стали, которые отличаются предельной температурой:

При низком отпуске максимальная температура равна +300 °С. Такой метод позволяет получить особо твердую сталь. Отпуск сопровождается постепенным снятием внутреннего напряжения и повышением вязкости.
Для среднего отпуска изделия нагревают до +450 °C. Такая технология применяется для производства прочной стали с повышенной упругостью. Этот метод позволяет сохранить неизменными показатели вязкости. Детали охлаждаются на открытом воздухе. Такой отпуск применяют для рессорной и пружинной стали.
Высокий отпуск, который позволяет повысить пластичность каленого металла, производят при температуре +450. +650 °С. Обработка уменьшает внутреннее напряжение на 95 %.

Технологии старения металла

Обработка каленого металла, которую принято называть старением, производится для повышения показателей твердости стали и делится на три основных способа:

Естественное старение представляет собой выдерживание изделий на открытом воздухе. Процесс сопровождается самопроизвольным увеличением прочности стали и снижением ее пластичности.
Для термического старения заготовки подвергают воздействию высокой температуры. Такой метод несет в себе риск так называемого перестаривания, когда после достижения максимальных значений может начаться процесс постепенного понижения твердости, плотности и текучести материала.
При деформационном старении каленый металл, имеющий структуру твердого раствора, подвергают пластическому деформированию.

Специфика закалки цветных металлов

Для каждого цветного металла или его сплава процесс закаливания имеет свою специфику.

Здесь мы не станем рассматривать термообработку всех цветных металлов, ограничившись примером стальных и медных сплавов:

Алюминий

Изделия из этого металла и сплавов на его основе нечасто подвергают закалке из-за того, что они уже прошли термообработку в ходе литья и обработку с использованием холодного или горячего пластического деформирования, что повысило твердость и прочность материала.

Закаливание в домашней мастерской может понадобиться, например, для сварных деталей из алюминиевого сплава, у которых при сварке произошло снижение жесткости материала в прилегающих к швам областях. Самостоятельная закалка связана с целым рядом проблем.

Для того чтобы алюминиевую деталь не повело при термической обработке, необходимо учитывать особенности конкретного сплава и точно соблюдать рекомендованную температуру. Допустимая погрешность при этом не должна превышать пяти градусов Цельсия. Не менее важно соблюдение технологических требований при охлаждении изделия, так как в противном случае также возможны деформации.

Данный вид термообработки следует производить в специальной печи для закаливания с точной регулировкой температуры. Для индивидуального подбора правильных параметров, скорее всего, придется закаливать каждую деталь по отдельности.

Параметры термообработки медных сплавов коренным образом отличаются от тех, что допустимы для стальных заготовок. При быстром охлаждении в водной среде детали из меди, предварительно разогретой докрасна (около +600 °С), металл отпускается, что ведет к его размягчению.

Самостоятельная закалка медных сплавов без отпуска возможна, но достаточно сложна, так как при нагревании нельзя допустить красного каления, то есть температура не должна быть больше +400 °С. После охлаждения на открытом воздухе сплав приобретет твердость, сравнимую с получаемой при нагартовке. Помимо специальной печи, если вы собираетесь производить закаливание в условиях домашней мастерской, следует обзавестись пирометром, который позволит контролировать температурный режим.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Усталость металла

Что это такое? Усталость металла – это постепенное повреждение его структуры с последующим разрушением. Опасность заключается в том, что процесс этот не одномоментный, проходит время, прежде чем материал окончательно придет в негодность.

От чего зависит? Усталость металла связана с условиями, в которых он эксплуатируется. Поэтому, чтобы не допустить деформации, прибегают к различным мерам, способным защитить материал от порчи.

Что такое усталость металлов

Понятие «усталость металла» скрывает за собой неравновесно-напряженное состояние, из-за которого в материале накапливаются отрицательные остаточные явления. Кроме того, металл оказывается неспособен сопротивляться разрушающей силе ниже его предела прочности.

Появление статической усталости объясняется непрерывным продолжительным воздействием на предмет статичной нагрузки, которая меньше предела прочности металла.

Динамическая нагрузка, например, удары, вибрация, является знакопеременной, то есть при ней сжатие постоянно сменяется растяжением. При подобных процессах усталость металла наступает в короткие сроки и может классифицироваться как одноцикловая, малоцикловая и многоцикловая.

Одноцикловая усталость металла – простыми словами это его разрушение в результате перехода в неравновесно-нагруженное состояние. Нагрузка оказывается единожды и равна либо превышает предел прочности материала.
Малоцикловая усталость металла возникает из-за неравновесно-нагруженного состояния, вызывающего разрушение металла под действием нагрузки, соответствующей или немного превышающей предельный уровень его прочности. Количество нагружаемых циклов не превосходит 10 000.
Многоцикловая усталость металла также является неравновесно-нагруженным состоянием, результатом которого становится разрушение металла при соответствующей либо превышающей предел прочности нагрузке. Количество циклов превышает 10 000.

История термина

В процессе развития транспорта инженеры стремились увеличить скорость его движения, однако это привело к увеличению частоты крушений. Дело в том, что ломались вагонные и паровозные оси, коленчатые валы на пароходах.

Подобная картина складывалась и на предприятиях, ведь и там важно было добиться, чтобы оборудование функционировало быстрее. Станки ускоряли за счет увеличения количества оборотов двигателя, что вскоре вызывало поломку деталей.

Специалисты пытались обнаружить причины аварий, качество металла изучалось в лабораторных условиях, но ничего выяснить не удавалось. Проверки показывали, что размеры элементов рассчитаны верно, использовался качественный металл, а детали имели хороший запас прочности.

Со временем инженеры обратили внимание на тот факт, что обычно из строя выходят компоненты механизмов, испытывающие на себе повторную переменную нагрузку. Допустим, именно такому воздействию подвергается шток в паровой машине: он крепится к шатуну, а тот приводит в движение коленчатый вал. В паровозе принцип примерно тот же, только ведущее колесо вращается благодаря работе кривошипа.

Поршень перемещается в цилиндре, из-за чего шток меняет направление движения. Сначала он испытывает на себе осевое сжатие, а потом растяжение, сопровождающееся изменением нагрузки на данный элемент.

Никто не мог понять, по какой причине повторяющаяся переменная нагрузка разрушает деталь, ведь с постоянной нагрузкой аналогичной величины материал может долго справляться.

Чтобы описать данный процесс, решили использовать усталость металла на фоне переменной нагрузки. Проблема лишь в том, что такое объяснение не несет в себе никакой информации. Кроме того, оно далеко от сути явления, поскольку усталость мышцы, сопровождающаяся снижением ее способности к сокращению, имеет более сложную природу, далекую от поломки металлического элемента.

Понятие «усталость» сохранилось в технике до сих пор, хотя уже известно, почему металл быстро разрушается при переменной нагрузке. По аналогии было введено понятие «выносливость металлов»: чем дольше изделие не «устает», тем более «выносливым» считается металл.

Если материал подвержен усталости, важно сформировать новые пределы напряжений, отказаться от имеющихся справочных материалов, опыта, накопившегося за годы инженерной работы.

Необходимо было доказать связь между выносливостью и повторяющимися переменными нагрузками, причем проверить способность металла к физической усталости можно было только опытным путем.

Всю вторую половину XIX века вопросы усталости и текучести металлов оставались одними из наиболее актуальных для технических обществ. Специалисты рассуждали о том, как колебания воздействуют на детали оборудования, корпусы морских судов.

Имена многих исследователей данной темы сейчас остаются неизвестным, поскольку мало у кого была возможность публиковать результаты своих опытов. До наших дней дошла информация только о ряде ученых, которые занимались определением сути усталости металлов.

Например, В. Альберт, горный инженер из Германии, стремился понять, почему обрывались подъемные цепи. В то время бадьи и клети опускались в шахту при помощи цепей, которые перебрасывали через шкив и накручивали на барабан специальной машины. На барабане звенья претерпевали изгибающую нагрузку, а при раскручивании цепи изгиб уступал место растяжению. Во время подъема груза процесс повторялся в обратном порядке.

Инженер понял, что причина обрыва кроется в частой перемене изгибания элементов цепи, пока она наматывается на барабан и огибает шкив. Чтобы доказать свое предположение, В. Альберт проводил опыты, до ста тысяч раз подвергая образцы изгибу. Далее он осматривал цепи, чтобы найти на звеньях трещины, сформировавшиеся из-за переменной нагрузки.

Аналогичные опыты с железными брусками в 1950-х годах проводили английские капитаны Г. Джеймс и Д. Гальтон. Они создали машину, чтобы быстро нагружать брус и снимать с него нагрузку.

Эти эксперименты вдохновили английского инженера В. Ферберна на изучение выносливости массивных железных балок, используемых при строительстве мостов. В 1960-х годах он работал с балками по 6-7 метров, при помощи рычагов оказывая и убирая нагрузку. Данный процесс сопровождался прогибом и выпрямлением изделия, а несколько сотен тысяч перемен нагрузки вызывали образование трещины.

Названные опыты носили бессистемный характер и не были представлены в широких технических кругах. На тот момент было сложно сказать, правда ли существует явление усталости металла либо трещины появлялись по случайному стечению обстоятельств.

Систематические исследования проводил механик из Германии А. Велер, несмотря на то, что он был выпускником коммерческого училища и работал чертежником на паровозном заводе, потом машинистом.

Требовалось понять причины аварий, поэтому создали специальную постоянную комиссию, куда А. Велер вошел в качестве эксперта, долгое время работавшего с паровозами. Он проводил испытания металлов в лаборатории, сам изобретал машины, позволявшие подвергать образцы переменным растяжению, изгибу, скручиванию. Интересно, что современные ученые испытывают материалы на изгиб на оборудовании, разработанном А. Велером.

Его машины для испытаний на усталость металла отличались небольшими скоростями, из-за чего исследования длились годами. Так, станок для имитации переменного изгиба совершал за минуту всего 72 оборота, а один из образцов выдержал более 132 миллионов перемен нагрузки.

Тем не менее А. Велер смог доказать, что образцы из стали и железа разрушаются при повторной переменной нагрузке, которая в иных ситуациях оказывается допустимой. Деталь сможет справляться с ней в течение неограниченного отрезка времени, если подобная нагрузка остается в определенных границах, то есть не выходит за предел выносливости. Данную величину необходимо учитывать при создании проектов быстроходных паровозов и скоростных машин.

Опыты А. Велера в корне изменили представления об уровне нагрузки, которой можно подвергать вагонные оси, шатуны, штоки цилиндров, пр. Благодаря ему расчеты компонентов скоростных машин начали выполнять в соответствии с пределом выносливости, который устанавливали опытным путем.

Основные виды усталости металла

Пороговая усталость представляет собой состояние, при котором заметны первые признаки неравномерного напряжения, являющегося необратимым.
Накопление усталости является необратимым относительным процессом накопления неравновесно-напряженного состояния, в результате которого металл разрушается.

Снова добиться прежней износостойкости, надежности конструкции, увеличить ее срок службы можно, если повысить уровень твердости. С этой целью прибегают к поверхностной или объемной закалке. Температуру металла повышают до +850 °C и выдерживают в течение 15–20 минут, затем резко охлаждают в воде или масле. В итоге обеспечивается высокая твердость детали.

Старение и усталость металлов и сплавов вызывают значительное снижение уровня прочности, сокращают срок службы изделия, провоцируя его разрушение из-за появления усталостных трещин. Все это негативно отражается на надежности, продолжительности работы и безотказности техники.

Причины возникновения усталости металла

Локальное перенапряжение приводит к появлению небольшой трещины на металлическом изделии, которая постепенно увеличивается в процессе его использования. В результате деталь ослабевает и резко выходит из строя при разрастании трещины до критических показателей. Это называется механической усталостью металлов.

Выделяют три этапа усталостного разрушения:

Образование трещины.
Распространение трещины.
Разрушение материала.

Чтобы деталь использовалась в течение максимально долгого срока, не подвергаясь усталостному разрушению, а специалисты не задумывались, через сколько лет наступит усталость металла, важно не допускать превышение локальными напряжениями определенного значения, известного как предел выносливости.

Усталость металла определяется присутствием концентраторов напряжений, в качестве которых могут выступать отверстия, сварные соединения, зазубрины, очаги ржавчины. Не менее важно качество обработки поверхности изделия, так как гладкие плоскости менее подвержены усталостным процессам.

Усталостное разрушение деталей может быть разных типов в соответствии с причиной образования дефекта:

перепады температуры – в этом случае говорят о термической усталости металла;
совместные циклы давления и температуры;
наличие очага коррозии;
постоянная вибрация, исходящая от оборудования.

Как определить усталость металла

Экспериментальные методы исследования усталости металлов позволяют создавать надежные конструкций, которые служат долго и справляются с переменными нагрузками. Существуют испытания на усталость для хрупких, малопластичных и пластичных материалов, которые проводят в ускоренном или длительном режиме.

Нередко предел выносливости определяют в условиях симметричного цикла при помощи гладкого вращающегося образца либо имеющего надрез. Так как специалистам нужно определить усталость металла, прибегают к большому количеству циклов знакопеременных нагрузок. Испытание осуществляется при заданной нагрузке и завершается сразу после разрушения материала, далее фиксируют число выполненных циклов.

Меры повышения выносливости металла

Разрушение крепежных элементов является недопустимым. Избежать преждевременного проявления усталости металла можно таким образом:

Прибегнуть к рационализации конструкции, то есть к увеличению радиуса скруглений, переходов между отдельными участками изделия, что позволяет избавиться от концентраторов напряжений.
Выбирать материал, обладающий повышенным показателем прочности. Сюда относятся титан, легированная сталь, а также сталь с высоким содержанием углерода.
Обеспечить более высокую прочность поверхности при помощи метода закалки с отпуском, азотирования, гальванической обработки металла для защиты от ржавчины.
Постоянно затягивать резьбовой крепеж во время работы – практически полная защита от ослабления предварительной затяжки достигается при помощи стопорных клиновых шайб.
Тщательно отслеживать качество затяжки соединений, если изготовитель указал величину момента затяжки.
Защищать поверхности крепежа от воздействия извне, что позволяет избежать коррозионной усталости металла.
Предельно серьезно отнестись к выбору типа крепежа, оценив несущую способность, которая требуется от подобных изделий в конкретной ситуации.
Провести грамотный монтаж, благодаря чему удается исключить вибрации, слабину крепежа в рабочем состоянии – так, анкерный болт не должен болтаться при установке в пористый бетон, кирпич.
Учесть класс пожаростойкости объекта, конструкции, ведь от этой характеристики зависит необходимость в изделиях с повышенным уровнем стойкости.

Разрушение металла в результате усталости происходит внезапно и связано с большим количеством нюансов, чем обычное. А значит, при проектировании объекта важно проанализировать показатели усталости. На данном этапе уже известен материал, который планируется использовать для проекта, и параметры среды – инженеру нужно выбрать ПО для оценки степени усталости всех элементов конструкций.

Читайте также: