Как узнать каленый металл или нет
Обновлено: 04.10.2024
Термообработка металлов – это один из основных способов улучшения их механических и физико-химических характеристик: твердости, прочности и других.
Одним из видов термообработки является закалка. Она успешно применялась человеком кустарным способом еще с давних времен. В Средневековье этот способ термической обработки использовали, чтобы улучшить прочность и твердость металлических предметов быта: топоров, серпов, пил, ножей, а также боевого оружия в виде копий, сабель и других.
И сейчас используют такой способ улучшения характеристик металла, не только в промышленных масштабах, но и в домашних условиях, в основном для закалки металлических предметов быта.
Что такое закалка металлов и ее виды
Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.
Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.
Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.
После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.
Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.
При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.
Особенности закалки стали
Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.
Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.
Виды закаливания сталей
В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.
Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.
Охлаждающая среда
Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.
Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.
Важно: При выборе среды, в которой проводят охлаждение металла после нагрева, следует учитывать, что в воде охлаждение проходит быстрее, чем в масле! Например, вода температурой 18°C способна охладить сплав на 600°C за секунду, а масло всего на 150°C.
Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).
Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.
Важно: Слишком быстрое охлаждение металла приводит к его излишней хрупкости! Это следует учитывать при самостоятельной закалке.
Различают следующие способы охлаждения:
- С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
- Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
- Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
- Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.
Температурный режим
Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.
Важно: Нагрев металла выше точки рекристаллизации приводит к крупнозернистому строению, ухудшающему его свойства: излишней хрупкости, приводящей к растрескиванию!
Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.
Как закалить металл в домашних условиях
Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.
Закалка топора на костре и в печи
Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.
На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.
Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:
1. Отжиг. Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.
А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.
Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.
2. Закалка стали. Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).
Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.
Далее топор поместить в емкость с маслом, в случае возгорания масла нужно накрыть емкость плотной тканью. Выдерживать в масле нужно до полного остывания.
3. Отпуск лезвия топора. Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.
Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.
Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.
Закаливание ножа
Самостоятельно для закалки металлов целесообразно использовать печи. Для предметов быта в виде ножей, топоров, сверл и других, наиболее подходящими являются муфельные печи небольшого размера. В них можно достичь температуры закалки намного выше, чем на костре и проще добиться равномерного прогрева металла.
Такую печь можно изготовить самостоятельно. В интернете можно найти множество простых вариантов ее конструкции. В таких печах можно разогреть металлическое изделие до 700-900°C.
Рассмотрим, как закалить нож из нержавейки в домашних условиях, используя муфельную электропечь. Для охлаждения вместо воды или масла используется расплавленный сургуч (можно достать в воинской части).
Последовательность процесса закалки следующая:
- нож (без ручки, если она деревянная) кладут в холодную печь;
- включив закрытую печь, нагревают ее вместе с ножом до получения ярко-красного цвета лезвия (800-900°C);
- раскаленным лезвием ножа режут сургуч до 10 раз, погружаясь в него на 1,5 см;
- процедуру повторяют до 5 раз, нагревая лезвие ножа и остужая в сургуче;
- остатки сургуча снимают скипидаром с помощью смоченной ткани.
Процедуру лучше делать на свежем воздухе, сургуч при плавке пахнет ужасно. Также, лезвие ножа можно греть на открытом огне.
Видео: другие способы закалки ножа в домашних условиях.
Таблица составлена технологами термического цеха крупного предприятия для использования в практической работе и позволяет быстро и правильно назначить соответствующий режим термической обработки для 30-ти марок стали наиболее применяемых в машиностроении.
Температ. закалки, град.С
Температ. отпуска, град.С
Температ. зак. ТВЧ, град.С
Температ. цемент., град.С
Температ. отжига, град.С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Сталь 20
Сталь 35
Сталь 45
Сталь 7ХГ2ВМ
Сталь У8, У8А
НВ до 250, масло
Сталь У10, У10А
Сталь 9ХС
Азотирование. Сеч. св. 70 мм
Сталь 30ХГСА
Сталь 12Х18Н9Т
Сталь 20Х13
Сталь 40Х13
Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при закалке берётся из расчёта 1 минута на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения. В соляных ваннах – 35 секунд на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения.
Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при отпуске берётся из расчёта:
а) низкий отпуск (температура 130…240 град.) — 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30 – 40 минут.
б) средний отпуск (температура 240. 450 град.) — 2 – 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения.
в) высокий отпуск (температура 450. 700 град. — 2 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения.
Окончательный контроль термической обработки деталей вести по фактической твёрдости.
Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала [1] .
Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.
Существенный вклад в развитие способов закалки внёс Чернов Дмитрий Константинович. Он обосновал и экспериментально доказал, что для получения стали высокого качества решающим фактором является не ковка, как это предполагалось ранее, а термическая обработка. Он определил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. В 1868 году Чернов открыл критические точки фазовых превращений стали, названные точками Чернова. В 1885 году он открыл, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и в горячих средах. Это открытие послужило началом применения ступенчатой закалки, а затем исследованию изотермического превращения аустенита [2] .
Содержание
По полиморфному превращению
- Закалка с полиморфным превращением, для сталей
- Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.
По температуре нагрева Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.
При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.
Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.
Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.
Какую сталь можно закалить
Как узнать каленый металл или нет
Эти понятия часто путают.
Термин «каление» в общем смысле означает «нагретый до высоких температур». И все. Применительно к металлам: достижение металлом определенной температуры сопровождается появлением характерного цвета – красного, желтого или белого. При нагреве в муфельной печи начало видимого свечения металла соответствует температуре порядка 600 о С. О цветах каления подробно сказано в Википедии:
| Температура, о С | Цвет каления |
| 550 | Темно-коричневый |
| 630 | Кроичнево-красный |
| 680 | Темно-красный |
| 740 | Темно-вишневый |
| 770 | Вишневый |
| 800 | Ярко- или светло-вишневый |
| 850 | Ярко- или светло-красный |
| 900 | Ярко-красный |
| 950 | Желто-красный |
| 1000 | Желтый |
| 1100 | Ярко- или светло-желтый |
| 1200 | Желто-белый |
| 1300 | Белый |
Цвет каления давал хорошее качественное представление о температуре металла – чем светлее, тем горячее. Поэтому тот кузнец, который мог лучше различать цвета и выбрать оптимальный цвет (= температуру), получал более качественные изделия.
(Понятно, что скверну выжигали каленым железом – самым эффективным, что было в арсенале средств борьбы. Понятно также, что это использовали и палачи – если железо красное, то точно будет больно, и очень. Относительно каленых орешков – их «калят», т.е. нагревают до высокой температуры для того, чтобы сделать скорлупу хрупкой и облегчить извлечение ядрышка. Т.е. в процессе нагрева орехов скорлупа меняет свои свойства. Собственно, то же самое относится и к семечкам. «Щелкать» можно только сушеные или жареные семечки, именно потому, что они сухие. С сырыми - не получится.)
Относительно металла. В первом приближении, если металл нагреть, а потом неспешно охладить, то по окончании охлаждения он будет таким же, как до нагрева (или почти таким же). На рисунке 1 показана структура армко-железа в исходном состоянии (рис.1, а) и после нагрева до 900 о С (рис.1,б). Видно, что размер зерна не изменился, а вот структура внутри зерна, скорее всего, изменилась. Могли измениться и свойства. Тот и другой образец травили одинаково, однако структура выглядит по-разному.
 |  |
| а | б |
Рисунок 1. Армко -железо в исходном состоянии (а) и после нагрева до высоких температур (б).
Что касается стали, если нагреть ее до температуры существования аустенита, да еще выдержать при этой температуре, то может измениться размер аустенитного зерна; это окажет влияние на свойства. Но это уже дальше от нашей темы.
А вот если охладить сталь быстро, то состояние ее кардинально изменится. Это будет уже закаленная сталь.
Закалка стали – это вид термической обработки, который заключается в нагреве стали на 30—50 ºС выше критической точки (выше Ас1 для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и выше Ас3 для доэвтектоидных), выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической. Целью закалки является получение структуры мартенсита, который придает стали совершенно другие свойства.
Закалка имеет смысл только для сплавов с переменной растворимостью легирующих элементов при изменении температуры (есть «закалка вакансий», но это не тема данной статьи). Поэтому закалка, например железа, не имеет смысла с технологической точки зрения.
Закалка интересна именно большой скоростью охлаждения, поскольку позволяет 1) зафиксировать высокотемпературное состояние (например пересыщенный твердый раствор) и/или 2) создать структуру, имеющую определенные свойства, отличающиеся от свойств медленно охлажденного металла. Результат закалки показан на рисунке 2. В стали, не прошедшей закалку, структура представляет собой зерна феррита и перлита (рис.1, а). После закалки сталь имеет структуру мартенсита (рис.1,б) Соответственно, свойства стали до и после закалки будут разными.
 |  |
| а | б |
Рисунок 2. Сталь до (а) и после (б) закалки.
Т.е., когда вместо «закаленный» говорят «каленый», это неверно.
В литературных источниках, в том числе в интернете, упоминаются каленые стрелы.Да, стальные стрелы могли иметь закаленный наконечник. Но не каленый. Вероятно, смешение понятий получилось потому, что сначала этот наконечник надо нагреть до температуры каления. Собственно, температура закалки для разных сталей составляет примерно от 850 до 1100 о С и лежит как раз в интервале цветов красного и желтого каления.
Есть еще интересный момент. Если стрелы (или наконечники к ним) ковали в кузнице, то для этого надо было их разогреть до высокой температуры. Это делалось на раскаленных углях, другого способа раньше не было. Т.е. имела место твердая цементация. Оптимальная температура цементации 830-850 о С, т.е. опять же попадаем в интервал температур красного каления. После изготовления наконечники охлаждалось в воде. Ну, а термической обработкой после цементации является, в том числе и закалка.
Насчет каленых деревянных стрел. Возможно, их обжигали на огне для придания лучших свойств. Тогда точно «каленая». Но это уже к специалистам по обработке древесины.
Подведем итог для металлов:
1. Каленый – претерпевший нагрев до высокой температуры, изменение свойств не предполагается;
2. Закаленный – прошедший термическую обработку (закалку) с целью изменения свойств.
Каленый металл (характеристики и особенности материала, важные нюансы)
В этой статье мы подробно расскажем о технологиях обработки заготовок и изделий из закаленных металлов. Особое внимание уделим следующим основным вопросам.
Содержание
Каленый металл (характеристики и особенности материала, инструменты для обработки, применяемые технологии, важные нюансы)
- Что такое закалка металла?
- Важные особенности закалки стали
- Особенности охлаждения различных деталей и изделий
- Какой инструмент выбрать для сверления каленого металла
- Советы по применению СОЖ при обработке каленого металла
- Технология нарезания внутренних резьб
- Технология нарезания наружных резьб
В этой статье мы подробно расскажем о технологиях обработки заготовок и изделий из закаленных металлов. Особое внимание уделим следующим основным вопросам.
Что такое закалка металла?
Какие характеристики материалов улучшаются после дополнительной обработки?
Какие инструменты и технологии применяют для выполнения основных операций с заготовками и изделиями из каленого металла?
Что такое закалка металла?
Закалка — это один из видов дополнительной обработки металла, предполагающий:
нагрев заготовки или изделия выше критической температуры, при которой кристаллическая решетка материала изменяет свою структуру;
быстрое охлаждение стали.
Важно! Материалы нагревают выше определенных критических температур. Для каждого металла они отличаются.
![01_Закалка металла.jpg]()
Фотография №1: процесс закалки
Для улучшения физико-химических свойств металлов применяют различные виды закалки.
С полиморфным вращением. По этой технологии закаливают стали и сплавы на основе черных металлов. Для нормализации пластичности и вязкости, а также для снижения хрупкости используют отпуск. Он незначительно уменьшает прочность заготовок и изделий.
Без полиморфного вращения. По этой технологии закаливают цветные металлы и сплавы на их основе. Нужные характеристики материалы приобретают после процесса «старения».
Для закалки металлов применяют различные охладители. При этом технологии отличаются. Расскажем об их особенностях.
Закалка в одном охладителе. Нагретый металл просто погружают в закалочную жидкость до полного охлаждения.
Изотермическая закалка. Деталь или изделие выдерживается в охладительной среде только до тех пор, пока не произойдет изотермическое преобразование кристаллической решетки. При этом образуется аустенит.
Прерывистая закалка. Этот метод повышения физико-химических свойств металлов и сплавов предполагает использование двух охлаждающих сред. Вначале заготовка или изделие быстро охлаждается в первичной среде (вода). Затем происходит медленное остывание, к примеру, в масле. Таким способом закаливают углеродистую сталь и изделия из нее.
Ступенчатая закалка. Ее проводят в среде, которая имеет температуру выше мартенситной точки. При этом металл приобретает температуру закалочной ванны во всех точках сечения. После этого происходит окончательное медленное охлаждение заготовки или изделия.
Струйчатая закалка. Предполагает обрызгивание металла струей воды. Чаще всего этот способ используют для повышения физико-химических свойств частей деталей или изделий. Технология обеспечивает более высокую степень прокаливаемости.
Перечислим основные охлаждающие среды.
К самым лучшим охлаждающим средам относят растворы поваренной соли и каустической соды.
Важные особенности закалки стали
Экономическая эффективность закалки напрямую зависит от скорости термообработки и охлаждения. Чем она выше, тем меньше расходуется энергии. Однако быстрый нагрев приводит к возникновению большого перепада температур между поверхностными слоями и сердцевинами изделий. В результате появляются трещины и происходят деформации. Именно поэтому термическая обработка проводится плавно и равномерно. Процесс контролирует технолог-термист. Используются табличные значения и эмпирические формулы.
На процесс преобразования структуры и изменения состава металла при его калении напрямую влияет скорость охлаждения заготовки или изделия. Например, быстрое охлаждение с применением обычной воды комнатной температуры приводит к получению углеродистой стали с мартенситной структурой, а при использовании горячей жидкости или масел получаются трооститы.
Режимы термической обработки и охлаждения также зависят от форм и размеров деталей и изделий. Поэтому в каждом конкретном случае специалисты разрабатывают индивидуальные операционные карты и маршрутные технологии.
Технология получения каленого металла выглядит так.
- Все поверхности тщательно очищаются от ржавчины, масла и иных загрязнений.
- Деталь или изделие равномерно прогревается до нужной температуры.
- Производятся охлаждение и отпуск.
При калении металла в домашних условиях температуру изделий и заготовок определяют по цветам побежалости. Ориентируйтесь по данным из таблицы.
Читайте также:
