Технология закалки и отпуска стали

Технология закалки и отпуска стали

Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.

Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.

Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.

К операциям термообработки относятся:

  • отжиг;
  • нормализация;
  • старение;
  • закалка стали и отпуск стали (и пр.).

Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:

  • температуры нагрева;
  • времени (скорости) нагрева;
  • продолжительности выдержки при заданной температуре;
  • скорости охлаждения.

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Закалка стали на открытом огне

Закалить металл возможно и в домашних условиях. Для легкого и полезного процесса закаливания надо развести костер и приготовить две большие тары. В огне должно быть много раскаленных углей.

В одну емкость наливается дизельное или моторное масло, в другую – чистая вода, лучше из колодца. Следует предварительно подготовить инструмент, которым надо будет держать раскаленное до пределов изделие.

Желательно найти кузнечные клещи, но если их нет среди инструментов, можно вооружиться чем-нибудь другим, похожим на клещи.

Когда предварительные работы сделаны, металлические сверла или другие предметы кладут в самый центр пламени, то есть на горячие угли.

Угольки насыщенного белого цвета раскаленнее остальных. За процессом закалки важно смотреть – пламя должно быть малиновым, а не белым. Если огонь будет окрашен в последний цвет, то есть угроза перегрева и даже сгорания металла.

Необходимо, чтобы цвет распределялся по всей площади костра равномерным образом. На кромке изделия, которое подвергается закалке, не должны появляться черные пятна.

А если металл местами синеет, то это свидетельствует о том, что материал чересчур размягчился и стал излишне пластичен. Этого ни при каких обстоятельствах допускать нельзя.

Поэтому процесс требует повышенной внимательности, ведь можно перестараться и раскалить лезвие топора добела.

Когда металлическое оборудование прокалится в огне, его пора убирать из очага высокой температуры.

Раскаленный предмет нужно опускать в тару с маслом много раз с частотой в 3 секунды, пошагово увеличивая этот промежуток времени.

Медлить с этими действиями нельзя, нужно проделать операции по закалке металлической кромки скоро и резко.

При работе своими руками элемент стоит окунать в тару с жидкостью до того момента, как цвет лишится своей насыщенности и яркости.

Далее предмет погружают в ведро, куда налита вода, которую придется чуть-чуть взбалтывать.

На этом этапе не забывайте об осторожности, так масляные капельки на ноже или топоре могут вспыхнуть, очутившись в воде.

Как правильно и неправильно погружать разные детали, в том числе сверла и дисковые фрезы воду, отражает таблица:

Очень часто возникает необходимость закалить сверла. Тонкие длинные элементы не рекомендуется опускать в воду плашмя, иначе нижний слой металла, охлаждаемый первым, сожмется.

Сверла следует опускать в жидкость более толстым концом.

Если соблюдать все правила и предосторожности, то закалка своими руками не покажется сложной и опасной процедурой. Она принесет должный гарантированный эффект.

Но порой в домашних условиях приходится закалять стальное оборудование или расплавлять цветной металл. Для таких операций необходима крайне высокая температура, 700-900 градусов.

А разогреть металлические предметы до такого показателя способна только муфельная печь или электропечь. Муфельную печь можно сделать самому. Электропечь в домашних условиях сделать вряд ли получится.

Проверка металла на качество в домашних условиях

Первым делом после покупки металлического предмета нужно проверить его качество. Сделать это можно при помощи простого паяльника. Конец паяльника проводится по металлу, чтобы выяснить дефекты при разработке инструмента. Если паяльник прилипает к поверхности, значит, сталь, не закалена, и при частом использовании инструмент деформируется. Если, наоборот, конец паяльника проходит плавно по стали и почти отскакивает от неё, значит, металл закалён слишком сильно. В таком случае нужно сделать термальную обработку стального инструмента для повышения его прочности.

Правильное охлаждение (отпуск)

Для того чтобы добиться необходимых свойств металла, нужно с ответственностью подойти к выбору охлаждающей среды, в которой данный процесс будет протекать.

Перечень охлаждающих сред, которые подойдут для нашего дела, выглядит следующим образом:

  • Одна среда с жидкостью. Лучше всего подойдет холодная вода. Тело помещается внутрь и находится там до своего полного охлаждения.
  • Две среды с разными жидкостями. Как и в первом случае, в первую среду помещается вода, и изделие первым делом отправляется туда. После первостепенного охлаждения оно помещается в масло или солевой раствор.
  • Далее идет стандартное струевое охлаждение. Здесь ничего сложного и особенного: изделие просто размещается под струю холодной воды до охлаждения. Отлично подойдет для случаев, когда необходимо нагреть какой-то отдельный элемент всего изделия.
  • Метод специального ступенчатого охлаждения, в котором используется несколько различных температурных режимов.

Правильный температурный режим

Перед началом процесса закалки стали в домашних условиях необходимо разобраться в температурном режиме, который обязательно нужно соблюдать для достижения качественного результата. Изделие необходимо равномерно нагреть до температуры порядка 700−850 градусов Цельсия, после чего быстро отпустить до 400−500 одним из вышеописанных способов.

Свойства стали после закалки

После закалки увеличивается твердость и прочность стали, но при этом повышаются внутренние напряжения и возрастает хрупкость, провоцирующие разрушение материала при резких механических воздействиях. На поверхности изделия появляется толстый слой окалины, который необходимо учитывать при определении припусков на обработку.

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части. Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

Читайте также  Что такое сечение провода

Определение! Мартенсит – основная составляющая структуры стали после закалки. Вид этой микроструктуры – игольчатый или реечный.

Для уменьшения внутренних напряжений и роста пластичности осуществляют следующий этап термообработки – отпуск. При отпуске происходит некоторое снижение твердости и прочности.

Какие металлы можно закалить

Следует учитывать, что не все металлы подходят для подобной термической обработки. Очень часто проводится улучшение физико-механических качеств конструкционных сталей, к примеру, стали 45, а также некоторых легированных сплавов (65Г, У7Х).

Алюминий и многие другие цветные сплавы подвергаются термической обработке, при которой кристаллическая решетка остается неизменной. Это можно достичь путем нагрева до невысоких температур с последующим быстрым охлаждение в различной среде.

Муфельная печь для разогрева деталей:

Чтобы понять, как правильно закалить сталь, нужно рассмотреть процесс. Он заключается в следующем:

  1. Заготовку разогревают до температуры 750…770 ⁰С. В этом состоянии она перестает магнититься. Металлурги называют этот режим аустенитным. Возникает высокая пластичность. Зерна металла становятся крупными, между ними разрушается связь.
  2. Чтобы произошел прогрев всей детали, требуется время. У сталей есть особенность, нагретым может быть только поверхностный слой, всего несколько долей миллиметра. Ниже этого слоя температура может быть на 30…50 ⁰С ниже. Если не прогревать металл по толщине, то произойдет только поверхностное закаливание. При проверке на приборе Роквелла происходит прокол закаленного слоя, твердость не гарантируется.
  3. Разогретый металл закаливается в воде или в масле. Выбор среды для закаливания объясняется тем, что при закалке в воде вокруг металла образуется водяной пар. Он снижает скорость охлаждения в несколько раз. Пар может иметь температуру до 200…250 ⁰С, поэтому настоящего закаливания нет. При закаливании в масляной среде (у него температура кипения составляет 350…380 ⁰С) скорость охлаждения в несколько раз выше. Опытные мастера производят не разовое опускание предмета в масло, а выполняют несколько последовательных подъемов и опусканий вверх-вниз. Эти достигается взаимодействие металла с новыми порциями масла, скорость охлаждения возрастает.
  4. При закаливании крупное зерно, полученное при разогреве до аустенита, превращается мелкое (уменьшается размер в тысячи раз). Именно резкое уменьшение зерновой структуры способствует повышению поверхностной твердости.
  5. При закаливании внутри металла возникают внутренние напряжения. Иногда можно наблюдать, как тонкие детали при небольшом нагружении лопаются. Необходимо устранить их кратковременным нагревом до температуры отпуска.
  6. На практике подразделяют отпуск в нескольких режимах. Самым распространенным является низкий отпуск, который протекает при температуре 200…220 ⁰С. В быту его можно выполнить в духовке обычной газовой плиты. Ее разогревают до заданной температуры, кладут детали, которые нужно частично отпустить. Потом дают остыть металлу вместе со всей плитой (примерно 1…2 часа).
  7. Детали с низким отпуском служат в несколько раз дольше, чем закаленные, но без последующего отпуска.

Закалка в масле:

Способы закалки металла на дому

Чтобы осуществить закалку металла в домашних условиях, понадобится источник тепла и емкость с охлаждающей жидкостью. Источником тепла может служить открытый огонь костра, газовая горелка, электрическая печь специальной формы (муфельная печь). Ванночка или емкость должна быть глубиной, достаточной для полного погружения детали внутрь нее.

Закалка на открытом огне

Работу выполняют в следующей последовательности:

Значение цвета металла при закалке на открытом огне

  • Разводят костер и дожидаются большого образования горящих углей;
  • Наливают в одну емкость масло, в другую — воду;
  • По достижении пламенем ярко-малинового цвета раскладывают на углях металлические предметы, требующие закалки;
  • Используя таблицу нагрева по цветности, следят за состоянием накала металла;
  • По достижении требуемой температуры, при помощи клещей извлекают заготовки и быстрыми движениями опускают в жидкость;
  • Оптимальный режим охлаждения — с соблюдением периодичности три секунды, с постепенным увеличением интервала времени;
  • Когда металл утратил цвет, продолжают охлаждать его водой.

Закалка в муфельной печи

Муфельная печь – это электрический нагревательный прибор, напоминающий тоннель, вокруг которого расположена нихромовая электрическая спираль. Вся конструкция обмазывается огнеупорной глиной, задний конец тоннеля закрыт наглухо, передний имеет дверцу, через которую внутрь печи можно заложить необходимые заготовки. Желательно дверцу снабдить смотровым окошком из огнеупорного стекла (для контроля процесса нагрева заготовки).

После достижение металлом необходимой температуры весь остальной процесс охлаждения происходит согласно описанию в разделе: «Закалка на открытом огне».