Поверхностная закалка: способы и технологии. Закалка металлов

Необходимость поверхностной закалки и отпуска

Поверхностная закалка деталей делается для достижения лучших характеристик наружного слоя, а в сердцевине металл остается вязким и пластичным. Таким образом удается изменить физико-механические свойства металла.

Чтобы уменьшить хрупкость и остаточные напряжения, металл затем подвергают отпуску, после чего его твердость несколько снижается, а свойства становятся более стабильными.

Температура закалки поверхности стали составляет 820-900 0С. Ее можно различать по цвету.

Для получения необходимой глубины термической обработки после быстрого разогрева поверхность детали охлаждают воздухом или водой.

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.

ПОСМОТРЕТЬ Плавильная печь на AliExpress →

Газопламенная закалка

Температурные режимы, связанные с нагревом и охлаждением, могут быть непрерывными или цикличными. Поверхностная закалка выполняется четырьмя способами.

1. Нагрев с охлаждением участка детали: закалка зубьев колес, концов рельсов, клапанов и др.
2. Закалка небольших вращающихся тел с малой шириной обрабатываемого участка: цапфы осей и валов.
3. Непрерывно-последовательный способ: перемещение по поверхности пламени, а за ним — охладителя. Производится последовательный нагрев и охлаждение водяными струями узких участков. Аналогично закаливаются поверхности деталей большого диаметра с медленным их вращением относительно неподвижных горелок и форсунок. На краях полос остаются зоны отпуска при вторичном нагреве от соседних участков.
4. Комбинированный способ: перемещение вдоль образующей струй пламени, а за ними — охлаждающей среды при вращении цилиндрической детали. Технология применяется для закалки длинномерных изделий. Способ обеспечивает получение однородного твердого слоя на поверхности детали.

Технология газопламенной закалки

Поверхностная закалка производится на станках, где процессы перемещения нагревательно-охлаждающих приспособлений и деталей механизированы. Процесс широко применяется в промышленности. Для него требуются простые устройства. В качестве источника энергии применяется смесь ацетилена с кислородом, природный газ или керосин. Иногда газопламенный нагрев применять более выгодно, чем ТВЧ. Особенно это относится к крупногабаритным изделиям, для которых сложно изготовить индукторы. Способ часто применяют в мелкосерийном производстве, когда к качеству деталей не предъявляются высокие требования. Закалочные горелки инжекторного типа содержат сменные наконечники для регулирования мощности пламени. Мундштуки выполняются в соответствии с профилем обрабатываемых деталей. Их делают с большим количеством сопел или щелевыми. Разбрызгиватели струйного типа подают воду на охлаждение.

Механизмы для перемещений инструментов и деталей применяются специализированные или универсальные. Предприятия часто самостоятельно их изготавливают на базе металлоообрабатывающих станков.

Закалка металлов зависит от состава, а также от размеров и формы изделий.

Закалка ножа — пошаговая инструкция по закалке различных типов металлов (75 фото и видео)

Поверхностная закалка ножа обеспечивает дополнительную прочность режущему основанию. Термическая обработка стальной заготовки значительно улучшает механические и физические свойства этого предмета.

Если пренебрегать данным требованием, то увеличивается риск быстрого стирания металлической пластины. Простым языком, нож будет постоянно тупиться, что скажется на эксплуатационных качествах.

В нашем материале мы поговорим как сделать закалку ножа в домашних условиях. Здесь представлены рекомендации от профессионалов, которые знают все тонкости работы с металлом.

Из какого материала делают ножи?

Для производства ножей используют сплав углерода и железа. При нагревании этих компонентов образуется высокоуглеродистая сталь.

Данный материал способен справиться с резким перепадом температурного режима. Помимо этого, он отличается высокой плотностью и устойчивостью к различным механическим воздействиям.

Изделия из чистой углеродистой стали имеют довольно высокую стоимость. Чтобы сократить расходы материалов и компонентов, многие мастера предпочитают добавлять специальные добавки.

Для этого они используют следующие вещества:

• Молибден;
• Ванадий;
• Цинк;
• Вольфрам;
• Кальций.

Если в составе заготовки отмечают минимальное количество углеродистой стали, то какие изделия получаются эластичными. Они требуют правильной закалки, которая обеспечит им дополнительную прочность.

Изготавливаем камеру для закаливания металла

Перед тем как приступить к обработке металлического основания необходимо подготовить соответствующее оборудование. Особое внимание рекомендуется уделить печи, в которой будет производиться обработка высокой температурой.

Печная камера должна иметь габариты 30см х 20см х10 см. Ее изготавливают из огнеупорной глины и кирпича. Глиняный состав не должен содержать в себе каких-либо примесей.

Конструкция печи представляет собой прямоугольник. Стены и задняя панель выполняется на одном уровне. Впереди устанавливают металлическую дверь на петлях. Это позволит сохранять температуру внутри печной конструкции.

Для закалки стали понадобится от 300 до 900 градусов. Данный параметр напрямую зависит от материала, из которого выполнено металлическое изделие. Например, для закалки ножа из напильника понадобится температура равная 500 градусам.

В составе данного материала отмечают высокое содержание стали и минимальное количество вольфрама. Готовый предмет получается довольно прочным и долговечным.

Процесс закалки стали в домашних условиях

Самым простым способом закалки заготовки считается открытый огонь. Подобным методом пользовались ещё наши предки более 100 лет назад. Процесс обработки производится «на глаз».

Для рабочего процесса понадобятся следующие материалы и инструменты. К ним относятся:

• Огонь;
• Большая емкость с маслом;
• Ведро холодной воды;
• Металлические клещи с длинными рукоятками. Они помогут аккуратно доставать и опускать железо для дальнейшего накаливания.

Первым делом необходимо добиться нужной температуры. В печь отправляем горючий материал в виде дров и угля. Пламя начинает менять свой оттенок от ярко-оранжевого до малинового.

В это время в огонь добавляют дров и горючего материала. Когда языки пламени изменятся свою окраску на белый цвет, можно, переходить к закалке металлического изделия.

Основание ножа помещаем на горящие угли и оставляем до покраснения металла. В среднем для этого понадобится от 5 до 15 минут. Когда изделие приобретет ярко-красный оттенок его погружают масло.

Закалка ножа маслом помогает добавить пластичности и прочности. После первого погружения подобные манипуляции проводят течение ещё 5 раз. Далее отправляет металлический клинок обратно в нагревательную печь

.

Следующим шагом будет закалка холодной водой. Данная процедура является окончательной. Она добавляет прочности металлическому изделию. Раскаленную заготовку отправляют на 20 минут в ледяную воду. Фото закалки ножа представлена данная манипуляция.

Представляем вашему вниманию подробное видео закалки ножа. Здесь представлена вся очередной действий и манипуляции с углеродистой сталью.

Фото закалки ножа

Параметры процесса

Регулируемые параметры следующие.

1. Мощность нагрева. Она зависит от расхода ацетилена и скорости перемещения пламени относительно изделия.
2. Расстояние от центра факела до нагреваемой поверхности поддерживается на уровне от 2 до 3 мм.
3. Продолжительность нагрева или скорость перемещения нагревателя. От этих характеристик, которые подбираются экспериментально, зависит глубина закалки и твердость поверхности.
4. В качестве охладителя большей частью применяется вода с температурой 18-350С, а расход составляет около 1 л/см2.
5. Время между нагревом и охлаждением (5-10 сек) или расстояние между зонами нагрева с охлаждением (12-25 мм).

Технология закалки стали включает процессы нагрева металла, выдержку для выравнивания температуры с прохождением необходимых структурных превращений и охлаждение с заданной скоростью. Отличительной особенностью поверхностной закалки является быстрый нагрев.

Подготовка деталей перед закалкой заключается в сглаживании острых углов и очистке разными способами: пескоструйная, химическая, щетками вручную.

Поверхностная закалка при правильном режиме обеспечивает повышение стойкости деталей в 2-5 раз. Выбор режимов охлаждения позволяет плавно увеличивать твердость закаленного слоя до 700 HB. Процесс должен проходить быстро. На конечном этапе, когда температура составляет 200-3000С, скорость охлаждения замедляется. В результате уменьшается образование трещин и изделия не коробятся.

При перегреве легированных сталей твердость может уменьшиться, что рассматривается как брак. Здесь также отсутствует возможность точной регулировки толщины закаленного слоя. Кроме того, при работе с газом требуются дополнительные меры по обеспечению безопасных условий труда.

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.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

Высокочастотный нагрев является одним из наиболее эффективных способов упрочнения поверхности. Применение ТВЧ до 10 тыс. кГц существенно сокращает время термической обработки. Через водоохлаждаемый медный индуктор пропускается высокочастотный ток. Образующееся электромагнитное поле проникает в деталь из стали, образуя в ней вихревые токи, тем самым вызывая нагрев. Основная энергия сосредотачивается в поверхностных слоях. Глубина прогрева зависит от магнитной проницаемости стали, электросопротивления и частоты тока. Регулируя эти параметры, можно изменять величину закаленного слоя.

Достоинства индукционного метода

• высокая производительность и экономичность нагрева, когда необходимо нагревать только отдельные участки деталей;
• поверхность детали незначительно окисляется, отсутствует обезуглероживание;
• изделия мало коробятся, меньше образуется трещин;
• точно регулируется глубина закалки;
• возможность автоматизации процесса.

К недостаткам метода закалки ТВЧ относится высокая стоимость и сложность изготовления индукционных устройств.

Медные индукторы изготавливаются с душирующими устройствами или без них.

Существуют следующие виды поверхностной закалки.

1. Одновременный. После нагрева деталь охлаждается водой. Закаливаемая деталь нагревается внутри индуктора. Через заданное время электрический ток отключается и через отверстия нагревателя сильными струями подается вода на охлаждение изделия. Для закалки зубчатых колес применяются кольцевые индукторы, а для плоских деталей — петлевые или зигзагообразные.
2. Непрерывно-последовательный. Вдоль неподвижной детали перемещается нагревающий индуктор, а за ним — душирующее устройство.

Нагрев ТВЧ позволяет создавать автоматизированные агрегаты в потоке цехов механической обработки. За счет этого нет необходимости в транспортировке деталей в термические цеха.

Другие способы поверхностной закалки стали

1. Закалка в электролите. Если через водный раствор электролита пропускать электрический ток, где катодом является деталь, которая быстро нагревается. Способ удобен, поскольку после отключения электроэнергии деталь тут же закаливается. Ванна с электролитом одновременно выполняет функции нагревательной печи и закалочной емкости.
2. Лазерная закалка. Излучение лазера разогревает поверхность металла до высокой температуры. Толщина упрочнения составляет менее 1 мм. Износостойкость деталей из чугуна возрастает в несколько раз, а предел выносливости стали — до 80 %. Способ часто применяется для упрочнения режущих кромок инструмента.

Отпуск после закалки

Закалка и отпуск — это 2 процесса, дополняющих друг друга и обеспечивающих получение качественных деталей. Назначение отпуска — заключительная операция после закалки, формирующая окончательные, более устойчивые свойства металла, обеспечивающая снятие внутренних напряжений. Изделие из стали определенной марки нагревают и выдерживают при соответствующей температуре, после чего охлаждают на воздухе.

1. Низкий отпуск при 120-2500С — обработка инструмента и др. деталей. Металл имеет стабильную структуру, высокую износостойкость и твердость.
2. Средний отпуск при 350-5000С — для штампов, пружин, рессор. Структура имеет хорошую пластичность, высокую упругость.
3. Высокий отпуск при 500-6800С — среднеуглеродистые конструкционные стали. Обеспечивает высокую прочность, вязкость, пластичность.

Закалка ножа в домашних условиях

Много столетий назад, мастера-кузнецы задавались вопросом, твердости клинка. И многие из них понимали, что сталь после нагрева нужно быстро остудить. Дамасские мастера, закаливали сталь в ущельях, где дули сильные ветра. Они считали, что сила ветра передавалась клинку, и он становился упругим, твердым и не ломался.

Закалка режущей кромки ножа.

Еще немного истории

Некоторые кузнецы использовали для этих целей мочу барана, собранную в течение трех дней. А другие применяли для такого процесса мочу мальчика, и он должен был быть непременно рыжим. Вот на какие хитрости шли мастера прошлого. Кстати, применение мочи, можно частично оправдать, так как присутствие в ней солей, сопутствовало быстрому забору тепла у раскаленного металла.

Были даже довольно варварские методы закалки, раскаленный клинок вонзали между ребер раба, и считалось, что его сила переходила в металлическую заготовку. Хорошо, что те времена миновали. Но люди постепенно замечали, что если после нагревания металла, его поместить в соленую среду, качество и характеристики его улучшались.

Шло время, и было проделано тысячи способов до достижения положительного результата. Молодой ученый металлург Д. К. Чернов, работавший над этой проблемой в 1866 году, достиг немалых успехов в определении для каждого металла определенных значений.

Завод, на котором проводил испытания господин Дмитрий Константинович Чернов, полностью избавился от брака и этого человека можно назвать прародителем современной металлургии. Сегодня любой студент, имея багаж знаний, накопленный веками, может справиться с закалкой стали.

Выбор стали для закалки ножа

Как известно, сталь это есть не что иное, как сплав углерода с железом. В них добавляются в небольших дозах добавки. Большую роль на качество будущего клинка они не играют. Важнейшим элементом является углерод.

Добавки могут быть такие, как цинк, хром, молибден, кальций и т.д. А вот чем меньше углерода в стали, она приобретает высокую прочность, но изнашивается быстрее и коррозия развивается быстрее. Для правильной закалки нужно обязательно знать состав будущего клинка.

Лучше всего провести углеродный анализ стали.

Идеальная закалка лезвия ножа.

Если будущее изделие будет, к примеру, из напильника или рессоры автомобиля. Закалка в данном случае просто необходима, тем более ковка такого металла подразумевает его обязательный нагрев. Проверить качество закалки, можно в домашних условиях, но он довольно «жестокий».

Нужно готовый клинок затянуть в тисках и начать постепенно гнуть его, и если излом клинка произойдет на отметке приблизительно в 45 градусов. Можно смело сказать – закалка была проведена верно.

Но так следует сделать, после первой вашей самостоятельной закалки клинка, нужно хорошо запомнить весь процесс и повторить его заново.

Способы закаливания

Способов закаливания существует, по сути, 2 типа. На открытом огне и в печи. Но, к сожалению, в обычном костре поднять температуру выше 900 градусов, не получится. Тогда приходит на помощь печь. Ее можно изготовить самостоятельно. Это довольно непростой процесс, но изготовив ее единожды, она прослужит вам достаточно долго. Тем более если вы начинающий мастер, она вам просто необходима.

В камере

Далее мы поговорим, как сделать самостоятельно муфельную печь для правильной термообработки заготовок, а сейчас просто и коротко опишем процесс закалки в ней, сталь клинка будет использована 50Х14МФ:

1. Прогреваем печь до нужной температуры, в данном случае 1070 градусов, и погружаем клинки в печь.
2. Загрузив клинок в печь, разогреваем печь опять до 1070 градусов, и при данной температуре начинается отсчет времени. Принцип прост: 1 минута 40 секунд, на каждый миллиметр толщины клинка.
3. По прошествии нужного времени, клинок вытаскивают и охлаждают на воздухе, в течение 15 минут под небольшим прессом.
4. Затем производится отпуск металла в духовке при 200 градусах.

Закалка ножа в камере выполненной в домашних условиях.

При данном процессе сталь получает твердость в 56 HRC.

Но учтите, что в данном случае закалка происходила без погружения в жидкости. Для каждой стали свои условия закалки. И результат, которого вы хотите добиться, будет целиком и полностью зависеть от самого процесса.

На открытом огне

Способ, можно сказать, опробованный нашими предками и ему уже много лет.

Чтобы правильно закалить сталь, без каких-либо точных измерительных приборов, так сказать «на глазок», нужна внимательность, и наберитесь терпения. Единственным способом проверки может являться магнит.

Когда металл достигает определенного для него точки накала, так называемой точки Кюри, он перестает взаимодействовать с магнитом.

И еще один признак, это цвет самой заготовки, она должна стать темно-красной. Но также в процессе нужно следить, чтобы не появлялось синих или черных пятен, это говорит о перегреве. Заготовку стоит класть в угли, когда цвет пламени от них будет малиновый.

Что потребуется:

• минеральное масло в емкости (можно отработку);
• ведро с водой;
• хорошо подготовленные угли;
• длинные металлургические клещи.

Закалка ножа на открытом огне.

После того как деталь приобрела нужный оттенок и не магнитится, нужно аккуратно взять ее клещами и опустить в масло на 3-и секунды, и так нужно поступить несколько раз. С каждым разом удерживая заготовку в масле немного дольше. И в конечном этапе погружаем ее в воду.

Как изготовить камеру для закаливания металла

Понятно, что изготавливая такую камеру, к процессу лучше подойти серьезно, так как делать вы ее будете не на один день или раз. Попробуем кратко описать процесс изготовления такой камеры, также называют ее – муфельная печь.

1. Главное, правильно изготовить «тело» такой камеры, здесь прибегают к простому процессу. Будущая горловина изготавливается из любого бумажного твердого материала (типа картон), обмазывается огнеупорной глиной толстым слоем. Не забываем сделать тонкую прослойку парафина, между формообразующим бумажным материалом и глиной.
2. Вторым этапом, минимум сутки высушивается будущая камера, а затем помещается в духовой шкаф и прокаливается на невысокой температуре около 90-110 градусов по Цельсию. После этого этапа бумажную составляющую уже можно извлекать.
3. Окончательный обжиг конструкции происходит на открытом огне при температуре около 900 градусов, затем производится остужение при естественных условиях. Нужно дождаться полного охлаждения камеры.
4. После того как заготовка будет остужена, она приобретает свойства камня, становится очень жесткой как кирпич. К ней приделывают дверцы, открывающиеся по горизонтали.
5. Заключительным этапом можно назвать обматывание будущей печи проволокой из нихрома, диаметром сечения около 0,75 мм. На всю конструкцию потребуется около 18 метров. Для исключения короткого замыкания при обмотке обмазывать сразу лучше сырой глиной. В корпусе проделываем два отверстия, одно для термопары (измерять температуру), а второе для визуального контроля.

Изготовленная своими руками камера для закалки ножа.

На этом, можно сказать, что печь для каления металла готова. Как видите, нет ничего сложного в изготовлении муфельной печи для дома.

Очень хорошо, если имеется печь для закаливания стали. Ее можно даже приобрести в специализированном магазине, но стоит удовольствие не дешево. Так как закалить нож в домашних условиях, не имея специальной муфельной печи? Выход есть и честно говоря не один.

Но для начала, нужно провести небольшие эксперименты, и подробно запомнить все ваши действия. Если результат окажется положительным, то эти же манипуляции можно производить с уже настоящей деталью.

Такой хитрый прием, поможет «набить руку» на небольших заготовках и приобрести навыки нагрева и охлаждения клинка. Нельзя забывать, что для разных сплавов, требуется разная температура и способы охлаждения, а иначе не избежать трещин и хрупкости заготовки.

Источник нагрева

В основном можно выделить несколько источников нагревания заготовки. Муфельную печь, лучше исключить, так как по всем экспертным оценкам – она самая лучшая в этом деле. Но мы попробуем оценить другие довольно распространенные приспособления для нагрева.

Кузнечный горн, довольно неплохо, справляется с накаливанием заготовок. Для такой цели может подойти паяльная лампа или пропановая горелка, способом проб и ошибок, можно достигнуть желаемого результата. Кстати, для этих двух вариантов, можно соорудить небольшую печь из огнеупорного кирпича, и процесс будет проще, а результат положительный.

Огнеупорная печь из кирпича для закалки ножа.

Ну и последний, можно сказать, совсем неприемлемый источник нагрева, это газовая плита. Если хотите, что-то испортить воспользуйтесь этим вариантом.

Охлаждение и отпуск

Для правильной закалки нужно выдержать правильный температурный режим при охлаждении. Нержавеющие сплавы предпочтительнее охлаждать в минеральном масле с присадками. А низколегированные стали, в водных растворах с солью, и другими добавлениями.

Охлаждение ножа минеральным маслом с присадками.

Существует много вариантов охлаждения:

• клинки с двусторонними лезвиями, опускают сперва в масло, а затем в водный раствор;
• трижды в масло опускают заготовки раскаленные докрасна, каждое погружение, по времени чуть дольше предыдущего. И только потом опускают в воду;
• для придания упругости середине клинка прогревают эту часть, затем опускают в кипяток на 2 часа, а затем в ледяную воду.

При этих всех манипуляциях стоит учитывать, что в масле металл остывает в два раза быстрее.

Заготовка, прошедшая закалку, для восстановления кристаллической решетки структуры метала, подвергают специальному процессу, который называется– отпуск.

В процедуре этой нет ничего сложного: клинок нужно прогреть в течение пары часов. Для легированной стали 270-320 градусов, для простой 150-200 градусов.

Определение качества работы

Пройдя все вышеописанные этапы, хотелось бы узнать, что из этого выйдет. Как проверить качество проделанной работы, довольно просто:

• заточки должно хватать надолго;
• лезвие не должно сминаться или крошиться при соприкосновении с плотными материалами;
• клинок должен иметь пластичность, изгибаясь – восстанавливать прежнюю форму;
• нормальный инструмент, при регулярной заточке и постоянном использовании, должен прослужить не менее 10 лет.

Не забывайте, что настоящее мастерство приходит с опытом. А опыт, как известно – сын ошибок трудных.

Если не получилось с первого раза, или со второго, то проявите настойчивость – с десятого выйдет не хуже, чем у других. Изучайте материал, упражняйтесь и ваяйте истинную красоту.