Как мягкую сталь сделать твердой

Обновлено: 24.04.2024

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.

Старинный способ сделать из мягкой стали твердую

Поверхностное насыщение стали углеродом повышает ее твердость и износоустойчивость. Этот процесс называется цементацией. С его помощью в домашних условиях можно в разы улучшить любой стальной инструмент из низкокачественного сплава.

Что потребуется:

горн;
древесный уголь;
профильная труба или листовая сталь.

Процесс цементации стали в домашних условиях

Суть процесс заключается в размещении изделия из мягкой стали в контейнер, наполненный древесным углем. Затем они нагреваются докрасна и выдерживаются при такой температуре пару часов. За это время поверхность стали насыщается углеродом, от чего она становится более твердой.
В зависимости от размера изделия для цементации, в качестве контейнера для него можно использовать отрезок профильной трубы или короб, сваренный из листовой стали.

Далее нужно измельчить в крошку древесный уголь и насыпать его на дно емкости, затем в нее помещается изделие для науглероживания. Контейнер полностью заполняется углем и заваривается.

Емкость с заготовкой укладывается в горн и разогревается докрасна. Ориентируясь по цвету побежалости нужно поддерживать температуру 950-1000°С. Для науглероживания 1 мм стали требуется продолжать нагрев 5 часов. Естественно всю толщу металла делать твердой не нужно, достаточно только тонкого поверхностного слоя.

Выдержав заготовку нужное количество времени, необходимо ее извлечь из горна и уложить остывать на песок. После остывания контейнер разрезается, и изделие вынимается.

Закалка перестроит структуру металла, сделав его очень твердым. После цементации продолжительностью 1 час даже обычный гвоздь будет тверже напильника и сможет работать как керн по любым сталям.

Смотрите видео

Как закалить ручной инструмент в домашних условиях

Иногда после покупки ручного инструмента выясняется, что он низкого качества из-за огрехов в закалке еще на заводе. Рассмотрим способ термической обработки отверток, долот, сверл, ножей и т. д. в домашних условиях.
Но следует учесть, что закалка приводит наряду с упрочнением металла, к повышению его хрупкости.
Вот отвертка с отломанным кончиком. Это произошло либо от большого крутящего усилия, приложенного к ней, либо от неправильной закалки, что вызвало повышенную хрупкость металла.

Посмотрим, как правильно закаливать сталь, чтобы она стала прочной и не слишком хрупкой, и быть уверенным в этом. При этом такие инструменты, как долота, стамески и т. д. должны еще иметь острую рабочую кромку.

Понадобится

емкость с водой;
газовая горелка;
механический наждачный круг;
напильник;
наждачная бумага с зернистостью 220;
магнит.

Воду для охлаждения стали после нагрева часто заменяют различными маслами и солевыми составами. А магнитом будем проверять, наряду с изменяющимся при нагревании стали цветом, достаточную температуру закалки, т. к. при ее достижении раскаленный металл теряет магнитные свойства.

То есть конкретный цвет и отсутствие намагниченности являются верными признаками окончания нагрева стали и ее охлаждения в воде.

Закалка отвертки своими руками

Для закалки отвертки вначале напильником и точильным камнем формируем новый конец, т. к. после закалки сталь упрочниться настолько, что напильник просто будет скользить по ней, не срезая металл.

Если же повреждение жала отвертки небольшое, то можно обойтись без закалки. Достаточно ее обработать на точильном круге не более двух секунд и тут же охладить в холодной воде.

Газовой горелкой нагреваем конец отвертки с заново сформированным жалом. Видно, как при нагревании изменяется его цвет, что важно для закалки. Также проверим готовность инструмента к закалке магнитом. Он перестает притягиваться к металлу, когда температура достигает 760 градусов Цельсия, и его нужно быстро охлаждать.

Это нужно для процесса отпуска, чтобы наблюдать за температурой по цветам побежалости, которые принимают окислы, и вовремя охладить отвертку.
Для нагрева инструмента без пластиковой ручки до 260 градусов Цельсия можем воспользоваться электропечью, поместив его туда на 20 минут. Затем, ухватив пассатижами, опустить в воду.
Под действием пламени газовой горелки цвет отвертки меняется от светло-желтого через другие и становится фиолетовым, затем темно-синим, достигая кончика отвертки. Этот цвет становится сигналом прекращения нагрева и охлаждения отвертки в воде.

Как мягкую сталь сделать твердой

Для улучшения свойств металлов нередко используются разнообразные химические и физические методы. Примером является цементация стали — сочетание химико-термического воздействия, в результате которого атомная решетка материала меняется, и он обретает новые качества.

Цементация считается высокоэффективным способом серьезно улучшить технические параметры металла и обеспечить ему более широкое применение.

Промышленная термообработка металла к содержанию ↑

Что происходит при цементации стали

Под цементацией понимают специальный высокотемпературный процесс, в ходе которого происходит насыщение поверхности материала атомарным углеродом. Наряду с другими видами химико-термической обработки (азотирование, цианирование и т. д.), цементация повышает качественные характеристики верхнего слоя металла, в особенности его прочность и устойчивость к разного рода нагрузкам.

Существует несколько способов цементации стали, причем некоторые из них можно использовать даже в домашних условиях. В любом случае происходит диффузное насыщение поверхности атомами углерода при высокой температуре (обычно в пределах +500… 1200 градусов). Без повышения температуры невозможна активация углерода, и он не сможет проникнуть в межкристаллическое пространство стали. Скорость взаимодействия металла и углерода довольно низка: за час последний внедряется не более, чем на 1 мм.

Какие свойства обретает сталь

В процессе цементации металл равномерно разогревается в газовой, твердой или жидкой среде с формированием науглероженного слоя на поверхности. Свойства материала при этом меняются в лучшую сторону. Прежде всего, возрастают прочность и износостойкость. Для примера, у легированной стали твердость не превышает 61 HRC, а у металла даже с малым содержанием углерода — 64 HRC.

Внешне сталь после цементации напоминает материал, который прошел процедуру закаливания, хотя ее эксплуатационные характеристики будут выше. Если на поверхности появляются слишком крупные зерна, проводят повторную термическую обработку при температуре не выше +900 градусов, а затем делают низкотемпературный отпуск.

Структура цементованного слоя металла к содержанию ↑

Металл для цементации

Для цементации обычно используют три разновидности стали:

С неупрочняемой сердцевиной (марки 10, 15, 20). Чаще всего изделия из такого металла имеют малый размер и применяются в бытовых целях.
Со слабо упрочняемой сердцевиной (марки 15Х, 20Х — низколегированные хромистые стали). Для таких марок, как правило, производят дополнительную обработку ванадием, чтобы получить более пластичный материал.
С сильно упрочняемой сердцевиной. Этот металл используется для производства сложных деталей, необычных по форме изделий и крупных объектов, которые выдерживают серьезные нагрузки. Во время цементации вводится никель или марганец.

Основные способы цементации

Разработаны разные способы цементации, которые различаются технологией, применяемым оборудованием и расходными материалами.

В твердой среде

Для работы используют так называемые твердые карбюризаторы — вещества, которые содержат углерод и могут отдавать его другим материалам при высокой температуре. Чаще всего таковыми служат дубовый или березовый уголь, к которым добавляют немного солей угольной кислоты (до 10-12%). Готовую смесь дробят до частиц размером не более 1 см, просеивают для удаления пыли и кладут в термостойкие ящики, после чего помещают туда металлические заготовки. В ряде случаев уголь проливают раствором соли до достижения влажности 6-7%. При «мокрой» методике процесс цементации происходит более равномерно. Далее действуют таким образом:

В газовой среде

Данная методика используется только в промышленных условиях при массовой обработке металлов, в том числе — в машиностроении при изготовлении двигателей. Применяются газы природного или искусственного происхождения, в которых содержится большое количество углерода, например, побочные продукты обработки нефти. За счет изменения плотности газов можно уменьшать или увеличивать глубину проникновения углерода в металл.

Цементация деталей в газовой среде

Полный цикл газовой цементации протекает в специальной шахтной печи, куда заранее помещаются заготовки. Процесс длится довольно долго: для насыщения стали углеродом на 1,2 мм нужно не менее 15-ти часов. Температура газовой смеси составляет +950 градусов. После завершения обработки в той же печи выполняется закаливание (отпуск) металла.

В жидкой среде

Цементация осуществляется в растворе карбонатных солей щелочных металлов, которые заранее плавятся при невысоких температурах. Готовый раствор наливают в герметичную емкость, разогревают состав до +850 градусов и опускают в него металлические изделия. Обычно для насыщения верхнего слоя заготовки углеродом хватает трех часов, поскольку скорость химической реакции в жидкой среде выше. Нужно учесть, что толщина науглероженного слоя при использовании такой методики не превышает 0,5 мм.

В вакууме

Цементация данным способом проводится в особых печах, которые могут создавать вакуум внутри. Заготовки помещаются в печь, выдерживаются в вакууме около часа, после чего внутрь под давлением подается богатый углеродом газ. Последовательно выполняются три стадии обработки изделия вакуумом и газом, а затем оно охлаждается инертными газами. Время подачи газов, давление и скорость прохождения этапов регулируются автоматически.

Вакуумная печь для цементации к содержанию ↑

В графите

В домашних условиях для цементации нередко используется графитовый порошок, который обладает отличной электропроводимостью. Как правило, таким образом закаливают режущие кромки ножей, лопат, садового инструмента. Работу производят следующим образом:

измельчают в пыль графит (например, полученный от стачивания графитовой щетки электродвигателя или из батарейки);
с ножа при помощи шкурки удаляют зазубринки;
кладут порошок на металлическую подложку, подводят к ней плюсовой контакт источника питания на 6-12 В;
к металлическому предмету присоединяют отрицательный провод, кромку помещают в порошок;
подают напряжение на трансформатор;
металлический предмет плавно перемещают под слоем графита (при этом в порошке проскакивают мелкие искры);
во время работы лезвие не должно касаться подложки, иначе случится короткое замыкание, и электрическая дуга прожжет изделие.

При помощи паст

Для цементации готовят пасту на основе сажи (пыли) древесного угля (55%), кальцинированной соды (30%) и щавелевокислого натрия (15%). Все компоненты перемешивают, разводят водой до получения пасты, которую затем наносят на обрабатываемый предмет и дают высохнуть. Толщина слоя пасты должна быть в 8 раз больше, чем планируемая толщина науглероженного слоя. После изделие прокаливают в индукционной печи при температуре +900…+950 градусов.

В кипящем слое

Для цементации применяют особые установки — печи кипящего слоя. В смеси раскаленных газов получают корунд — сыпучее вещество, имеющее псевдожидкое состояние. В ходе цементации температура распределяется равномерно, поэтому риск деформации заготовки отсутствует. После завершения процесса осуществляется отпуск и шлифование заготовки.

В электролитном растворе

Электролитный раствор должен включать 75-85% соды, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Металлическое изделие погружают в ванну-печь с раствором, который был прогрет до +850…+860 градусов, и подают напряжение в 150-300 В. Спустя 2 часа поверхность металла науглероживается на глубину до 0,4 мм.

Эта методика отлично подходит для небольших изделий и может применяться в домашних условиях. С помощью цементации можно придать металлическим предметам качественно новые свойства, увеличить срок их эксплуатации и повысить эффективность использования.

Цементация стали в домашних условиях: обзор основных методов Цементация стали в домашних условиях: обзор основных методов

Читайте также: