Закалка металла в домашних условиях: закаливаем сталь правильно. Как закалить металл в домашних условиях Технологические нюансы закалки

Процесс закалки стали позволяет повысить твердость изделия примерно в 3-4 раза. Многие производители проводят подобный процесс на момент производства продукции, однако в некоторых случаях ее следует повторить, так как твердость стали или другого сплава имеет малый уровень. Именно поэтому многие задаются вопросом, как закалить металл в домашних условиях?

Методика

Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно. Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение. Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

Особенности процесса

Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

Нагрев должен проходить равномерно. Только в этом случае структура материала однородна.
Нагрев стали должен проходить без образования черных или синих пятен, что свидетельствует о сильном перегреве поверхности.
Образец нельзя нагревать до крайнего состояния, так как изменения структуры будут необратимыми.
На правильность проведения нагрева стали указывает ярко-красный цвет металла.
Охлаждение также должно быть проведено равномерно, для чего используется водяная ванна.

Оборудование и особенности проводимого процесса

Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

электропечь;
паяльная лампа;
термопечь;
большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

Повышение твердости на открытом огне

В быту зачастую закалку проводят на открытом огне. Этот метод подходит исключительно для разового проведения процесса повышения твердости поверхности.

Всю работу можно разделить на несколько этапов:

для начала следует провести разведение костра;
на момент разведения костра подготавливаются две большие тары, которые будут соответствовать размеру детали;
для того чтобы костер давал больше жара нужно обеспечить большое количество углей. они дают много жара на протяжении длительного времени;
в одной емкости должна содержаться вода, в другой – моторное масло;
следует использовать специальные инструменты, при помощи которых будет удерживаться обрабатываемая раскаленная деталь. на видео часто можно встретить кузнечные клещи, которые наиболее эффективны;
после подготовки необходимых инструментов следует положить предмет в самый центр пламени. при этом можно деталь зарыть в самую глубь углей, что обеспечит нагрев металла до плавкого состояния;
угольки, которые имеют ярко белый цвет – раскалены больше других. за процессом плавки металла нужно следить пристально. пламя должно быть малиновым, но не белым. если огонь белый, то есть вероятность перегрева металла. в этом случае эксплуатационные качества значительно ухудшаются, а срок службы уменьшается;
правильный цвет, равномерный по всей поверхности, определяет равномерность нагрева металла;
если происходит потемнение до синего цвета, то это говорит о сильном размягчении металла, то есть он становится излишне пластичным. этого нельзя допускать, так как значительно нарушается структура;
при полном разогреве металла его следует убрать с очага высокой температуры;
после этого следует раскаленный металл поместить в тару с маслом с частотой 3 секунды;
завершающим этапом можно назвать погружение детали в воду. При этом периодически проводится взбалтывание воды. Это связано с тем, что вода быстро нагревается вокруг изделия.

При выполнении работы следует уделять внимание осторожности, так как раскаленное масло может нанести вред коже. На видео можно обратить внимание на то, какого цвета должна быть поверхность при достижении нужной степени пластичности. Но для закалки цветных металлов зачастую нужно оказывать воздействие температуры в промежутке ль 700 до 900 градусов Цельсия. На открытом огне провести нагрев цветных сплавов практически не возможно, так как достигнуть подобной температуры без специального оборудования нельзя. Примером можно назвать использование электропечи, которая способна нагревать поверхность до 800 градусов Цельсия.

Сталкивались ли вы когда-нибудь с необходимостью своими руками отрезать или разрезать что-то металлическое? Если да, то перед вами наверняка вставал вопрос, как это сделать. Конечно, всегда можно воспользоваться старой-доброй ножовкой по металлу, но что если речь идёт не о тонком оцинкованном листе, а, например, о толстостенной трубе?

Здесь ножовка, конечно, может выручить, но сил и времени будет затрачено несоизмеримо много. А это означает, что необходим более радикальный подход, и в этой статье мы поговорим о том, как резать металл и чем это лучше сделать.

Режем металл болгаркой

Доподлинно неизвестно, почему этот инструмент так назвали. Основная версия заключается в том, что первой страной производителем была Болгария, но на самом деле это лишь версия.

Выбирая чем резать металл, большинство людей отдаёт предпочтение именно болгарке, так как в отличие от газового оборудования, её цена значительно ниже, и для работы с ней не нужны какие-то определённые навыки.

С другой стороны, многие очень боятся работать болгаркой, из-за её высокой мощности и опасности. На самом деле, ничего сложного нет, главное чётко соблюдать технику безопасности и не пренебрегать даже мелочами.

В работе с металлом вообще не может быть мелочей, и весь режущий инструмент по металлу представляет определённую опасность. Инструкция по технике безопасности при работе с режущим инструментом актуальна как для больших болгарок, мощностью более двух киловатт, так и для совсем маленьких, которые, не смотря на свои компактные размеры, способны причинить немалый вред здоровью.

Этот инструмент режет металл за счёт вращения абразивного диска, толщина которого может отличаться в зависимости от металла, который необходимо распилить. Чем тоньше стенка стального изделия, тем тоньше диск режущий по металлу будет использован.

Мы не будем в этой статье рассказывать о том, как важна техника безопасности. Это всегда приоритетный вопрос, но если у вас нет опыта работы с болгаркой, то специально для вас мы приведём несколько тонкостей, о которых нужно знать, чтобы не нанести вред своему здоровью.

Несколько важных моментов

Итак:

По технике безопасности, вращение диска должно происходить по направлению реза, то есть в сторону того, кто режет металл, но, как правило, такое положение не очень удобно, и гораздо проще, когда поток искр направлен вперёд. В принципе, никаких существенных ограничений тут нет, всё зависит от личного удобства оператора инструмента.
При резке металла, используйте только соответствующие диски. Диски по камню или дереву имеют меньшую плотность, и при контакте со стальной поверхностью быстро разлетаются, а осколки способны повредить вас или окружающих.

Не работайте без защитного кожуха. Он направляет искры в сторону, и они не будут лететь вам в лицо. Так же, он является единственным спасением, на случай если диск закусит и разлетится.
Не режьте металл в направлении «от себя». Так гораздо больше вероятности, что произойдёт закусывание диска. Направление реза всегда должно быть направленно в сторону режущего.
Держите инструмент ровно. Резка под углом приведёт к искривлению диска и его разлому, а осколки, вылетающие на такой скорости способны нанести существенный вред здоровью.

Никогда не зачищайте поверхность диском, предназначенным для резки. Для зачистки существуют специальные диски, отличающиеся толщиной и плотностью.
Некоторые виды болгарок, используют только свои, брендовые диски. Обусловлено это разницей в количестве оборотов, поэтому если вы обладатель фирменного инструмента, используйте диски только под этой маркой.

Никогда не используйте диски другого размера. Каждый размер рассчитан на инструмент с определённым количеством оборотов. Так, если вы поставите на большую болгарку диска маленьких или средних размеров, он просто лопнет.
Не экономьте. Если на диске появилась трещина, или вы не заметили её при покупке, сразу выбрасывайте его в мусор. Случайное растрескивание в момент резки, может очень плохо для вас закончиться. Помните, цена диска не стоит вашей жизни и здоровья.

Всегда внимательно следите за тем, что находится впереди вас в момент работы. Искры, вылетающие из-под болгарки способны воспламенить дерево, пластик, и другие горючие материалы. Тем более нельзя работать болгаркой вблизи бензина или газа.
Перед тем, как резать металл болгаркой, убедитесь, что он правильно расположен. При резке, отрезаемая часть должна находиться навесу, в противном случае может произойти закусывание диска.

Важно! Никогда не бойтесь инструмента, в независимости от того, насколько опасно он выглядит, и какие громкие звуки издаёт. Зная, как правильно резать металл, вы гарантированно не получите травм.

Итак, с болгаркой мы разобрались, но это далеко не единственный инструмент для резки металла. И ниже мы рассмотрим другие варианты, а пока рекомендуем вам посмотреть видео в этой статье, в котором рассказано про резание металлов и режущий инструмент. А мы тем временем идём дальше.

Другие инструменты для резки металла

Конечно, болгаркой можно отрезать всё, что угодно, главное правильно подобрать диск к ней. Но не всегда этот вариант самый удобный и практичный. Вот лишь несколько моментов, когда резать металл другим инструментом целесообразнее.

Если материал имеет цинковое покрытие. За счёт высоких оборотов, болгарка просто сжигает покрытие, и от него не остаётся и следа.

Окрашенный материал, так же лучше резать ножницами металлу. Они сберегут покрытие и не сожгут его.

Резать металл ножовкой целесообразнее, если он находится в напряжении, например, если это труба отопления, замкнутая в системный контур.

Металл толщиной более 10 миллиметров, лучше резать газовым резаком, так как болгарка с ним может просто не справиться.

Важно! Мы намерено не будем рассказывать в этой статье, как резать металл резаком, так как для этого нужны специальные знания и опыт. Ни в коем случае не пытайтесь завести газовый резак самостоятельно. Это может привести к взрыву пропана или пожару.

Это далеко не полный список моментов, когда от использования болгарки лучше отказаться, но все перечисленные ситуации очень часто встречаются в быту. Так чем же воспользоваться для работы?

Давайте рассмотрим самые популярные и доступные альтернативные инструменты для резки металла:

Газовый резак . Сложно назвать этот инструмент доступным, но мы не могли оставить его без внимания, так как в ряде случаев, это единственный инструмент, который способен справиться с поставленной задачей. Например, при резке толстых металлов, альтернативой резаку может быть только лазер, а такой инструмент не доступен для бытовых нужд.

Ножовка по металлу . Этот инструмент, как правило, есть в арсенале любого домашнего мастера. Резать металл ножовкой долго и проблематично, но в некоторых труднодоступных местах возможно подлезть только ей.

Ножницы по металлу . Конечно, трубу вы таким инструментом не отрежете, но если необходимо, например, откусить профиль для гипсокартона, то лучше варианта просто не найти. Работать с ними просто, и безопасно, и к тому же они не уничтожают цинковое покрытие или краску.

Пресс-ножницы . Этот инструмент предназначен для перекусывания проволоки или арматуры. В зависимости от размера, ножницы могут разделять пруток диаметром до 20 миллиметров, а работать ими гораздо удобнее, чем болгаркой.

Как видно, выбор очень богатый, и выбирать инструмент следует в зависимости от конкретной ситуации. Конечно, с болгаркой сложно конкурировать, но не всегда есть возможность ею воспользоваться, и тогда на помощь придут альтернативные варианты.

И в заключении хотелось бы ещё раз напомнить – всегда соблюдайте технику безопасности и используйте средства индивидуальной защиты. Никакая работа не стоит того, чтобы рисковать своим здоровьем или даже жизнью.

Нагрев металлов и сплавов производят либо для уменьшения их сопротивления пластической деформации (т. е. перед ковкой или прокаткой), либо для изменения кристаллической структуры происходящего под воздействием высоких температур (термообработка). В каждом из этих случаев условия протекания процесса нагрева оказывают существенное влияние на качество конечного продукта.

Решаемые задачи предопределяют основные характеристики процесса нагрева: температуру, равномерность и продолжительность.

Температурой нагрева обычно называют конечную температуру поверхности металла, при которой он в соответствии с требованиями технологии может быть выдан из печи. Значение температуры нагрева зависит от химического состава (марки) сплава и от цели нагрева.

При нагреве перед обработкой давлением температура выдачи заготовок из печи должна быть достаточно высокой, так как это способствует уменьшению сопротивления пластической деформации и приводит к сокращению расхода электроэнергии на обработку, повышению производительности прокатного и кузнечного оборудования, а также увеличению срока его службы.

Однако существует верхний предел температуры нагрева, поскольку она лимитируется ростом зерна, явлениями перегрева и пережога, а также ускорением окисления металла. В процессе нагрева большинства сплавов при достижении точки, лежащей на 30-100°С ниже линии солидус на их диаграмме состояния, благодаря ликвации и неметаллическим включениям, на границах зерен появляется жидкая фаза; это приводит к ослаблению механической связи между зернами, интенсивному окислению на их границах; такой металл теряет прочность и разрушается при обработке давлением. Это явление, называемое пережогом, лимитирует максимальную температуру нагрева. Пережженный металл не может быть исправлен никакой последующей термической обработкой и пригоден только для переплавки.

Перегрев металла приводит к чрезмерному росту зерна, в результате чего ухудшаются механические свойства. Поэтому прокатка должна завершаться при температуре более низкой, чем температура перегрева. Перегретый металл можно исправить посредством отжига или нормализации.

Низший предел температуры нагрева устанавливают исходя из допускаемой температуры в конце обработки давлением с учетом всех потерь тепла от заготовки в окружающую среду и выделения тепла в ней самой за счет пластической деформации. Следовательно, для каждого сплава и для каждого вида обработки давлением существует определенный диапазон температур, выше и ниже которого не следует нагревать заготовку. Эти сведения приведены в соответствующих справочниках.

Вопрос о температуре нагрева особенно важен для таких сложных сплавов, как, например, высоколегированные стали, которые в процессе обработки давлением оказывают большое сопротивление пластической деформации, и в то же время, склонны к перегреву и пережогу. Эти факторы обусловливают более узкий диапазон температур нагрева высоколегированных сталей по сравнению с углеродистыми.

В табл. 21-1 в качестве иллюстрации приведены данные для некоторых сталей о предельно допустимой температуре их нагрева перед обработкой давлением и о температуре пережога.

При термической обработке температура нагрева зависит только от технологических требований, т. е. от вида термообработки и ее режима, обусловленных строением и структурой сплава.

Равномерность нагрева определяется величиной разности температур между поверхностью и центром (поскольку это обычно наибольшая разность) заготовки при выдаче ее из печи:

∆Т кон = Т кон пов - Т кон цен. Этот показатель также очень важен, поскольку слишком большая разность температур по сечению заготовки при нагреве перед обработкой давлением может вызвать неравномерную деформацию, а при нагреве под термообработку - повлечь за собой незавершенность требуемых превращений по всей толщине металла, т. е. в обоих случаях - брак конечной продукции. Вместе с этим, Процесс выравнивания температура по сечению металла требует длительной выдержки его при высокой температуре поверхности.

Однако, полной равномерности нагрева металла перед обработкой давлением не требуется, так как в процессе транспортировки его от печи к стану или прессу и прокатки (ковки) неизбежно происходит выравнивание температуры по сечению слитков и заготовок в связи с отдачей тепла в окружающую среду с их поверхности и теплопроводностью внутрь металла. Исходя из этого, допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве перед обработкой давлением в следующих пределах: для высоколегированных сталей ∆Т кон = 100δ; для всех других марок стали ∆Т кон = 200δ при δ <0,1 м и ∆Т кон = 300δ при δ > 0,2 м. Здесь δ - прогреваемая толщина металла.

Во всех случаях перепад температур по толщине заготовки в конце ее нагрева перед прокаткой или ковкой не должен превышать 50 °С, а при нагреве под термообработку 20 °С, независимо от толщины изделия. При нагреве крупных слитков допускается их выдача из печи при ∆Т кон <100 °С.

Другой важной задачей технологии нагрева металла является обеспечение равномерного распределения температуры по всей поверхности заготовок или изделий к моменту их выгрузки из печи. Практическая необходимость этого требования очевидна, так как при значительной неравномерности нагрева по поверхности металла (даже при достижении необходимого перепада температур по толщине) неизбежны такие дефекты, как неравномерность профиля готового проката или различные механические свойства изделия, подвергнутого термообработке.

Обеспечение равномерности температуры по поверхности нагреваемого металла достигается посредством правильного выбора печи для нагрева определенного типа заготовок или изделий и соответствующего размещения в ней теплогенерирующих устройств, создающих необходимое поле температур в рабочем пространстве печи, взаимного расположения заготовок и т. п.

Продолжительность нагрева до конечной температуры также является важнейшим показателем, так как от него зависят производительность печи и ее размеры. В то же время продолжительность нагрева до заданной температуры определяет скорость нагрева, т. е. изменение температуры в некоторой точке нагреваемого тела в единицу времени. Обычно скорость нагрева изменяется по ходу протекания процесса, и поэтому различают скорость нагрева в некоторый момент времени и среднюю скорость нагрева за рассматриваемый интервал времени.

Чем быстрее осуществляется нагрев (т. е. чем больше скорость нагрева), тем, очевидно, выше производительность печи при прочих равных условиях. Однако в ряде случаев скорость нагрева не может быть выбрана сколь угодно большой, даже если условия внешнего теплообмена и позволяют его осуществить. Это связано с определенными ограничениями, накладываемыми условиями протекания процессов, сопровождающих нагрев металла в печах и рассматриваемых ниже.

Процессы, протекающие при нагреве металла. При нагреве металла происходит изменение его энтальпии, а поскольку в большинстве случаев подвод тепла производится к поверхности слитков и заготовок, то их наружная температура выше температуры внутренних слоев. В результате термического расширения разных частей твердого тела на разную величину возникают напряжения, получившие название термических.

Другая группа явлений связана с химическими процессами на поверхности металла при нагреве. Поверхность металла, находящаяся при высокой температуре, вступает во взаимодействие с окружающей средой (т. е. с продуктами сгорания или с воздухом), в результате чего на ней образуется слой оксидов. В случае, если какие-либо элементы сплава взаимодействуют с окружающей металл средой с образованием газовой фазы, то происходит обеднение поверхности этими элементами. Например, окисление углерода стали при ее нагреве в печах, вызывает поверхностное обезуглероживание.

Термические напряжения

Как отмечено выше, в сечении слитков и заготовок при их нагреве возникает неравномерное распределение температур и, следовательно, разные части тела стремятся изменить свой размер в разной степени. Так как в твердом теле существуют связи между всеми отдельными его частями, то они не могут независимо деформироваться в соответствии с теми температурами, до которых они нагреты. В результате возникают термические напряжения, обусловленные разностью температур. Наружные, более нагретые слои, стремятся расшириться и находятся, поэтому в сжатом состоянии. Внутренние, более холодные слои, подвержены при этом растягивающим усилиям. Если эти напряжения не превосходят предела упругости нагреваемого металла, то с выравниванием температуры по сечению термические напряжения исчезают.

Все металлы и сплавы обладают упругими свойствами до определенной температуры (например, большинство марок стали до 450-500 °С). Выше этой определенной температуры металлы переходят в пластическое состояние и возникшие в них термические напряжения вызывают пластическую деформацию и исчезают. Следовательно, температурные напряжения должны учитываться при нагреве и охлаждении стали только в интервале температур от комнатной до точки перехода данного металла или сплава из упругого состояния в пластическое. Такие напряжения называются исчезающими, или временными.

Кроме временных, существуют остаточные температурные напряжения, увеличивающие опасность разрушения при нагреве. Эти напряжения возникают в случае, если слиток или заготовка ранее подвергались нагреву и охлаждению. При охлаждении наружные слои металла (более холодные) раньше достигают температуры перехода из пластического в упругое состояние. По мере дальнейшего охлаждения внутренние слои оказываются под воздействием растягивающих усилий, которые не исчезают вследствие малой пластичности холодного металла. Если этот слиток или заготовка будут снова нагреты, то возникающие в них временные напряжения наложатся с тем же самым знаком на остаточные, что усугубит опасность возникновения трещин и разрывов.

Помимо временных и остаточных температурных напряжений при нагреве и охлаждении сплавов возникают также напряжения, вызванные структурными изменениями объема. Но так как эти явления имеют место обычно при температурах, превышающих границу перехода из упругого состояния в пластическое, то структурные напряжения рассеиваются в связи с пластическим состоянием металла.

Зависимость между деформациями и напряжениями устанавливает закон Гука

σ= (Т ср -Т )

где β - коэффициент линейного расширения; Т ср - средняя температура тела; Т - температура в данном сечении тела; Е - модуль упругости (для многих марок стали величина Е снижается с (18÷22) . 10 4 МПа до (14÷17) . 10 4 МПа с увеличением температуры от комнатной до 500 °С; σ -- напряжение; v - отношение Пуассона (для стали v ≈ 0,3).

Большой практический интерес представляет нахождение максимально допустимой разности температур по сечению тела ∆Т доп = Т пов - Т цен. Наиболее опасными в этом случае являются растягивающие напряжения, поэтому их следует учитывать при расчете допустимой разности температур. В качестве прочностной характеристики следует принимать значение временного сопротивления сплава разрыву σ в.

Тогда, используя решения задач теплопроводности (см. гл. 16) и накладывая на них выражение (21-1), для случая регулярного режима II рода можно, в частности, получить:

для равномерно и симметрично обогреваемой бесконечной пластины

∆Т доп = 1,5 (1 - v) σ в /();

для равномерно и симметрично обогреваемого бесконечного цилиндра

∆Т доп = 2 (1 - v) σ в /().

Допустимая разность температур, найденная по формулам (21-2) и (21-3), не зависит от размеров тела и его теплофизических характеристик. Размеры тела оказывают косвенное влияние на величину ∆Т доп, так как остаточные напряжения в телах большего размера больше.

Окисление и обезуглероживание поверхности при нагреве. Окисление слитков и заготовок при нагреве в печах - явление крайне нежелательное, поскольку его следствием являются невозвратимые потери металла. Это приводит к очень большому экономическому ущербу, который становится особенно очевидным, если сопоставить стоимость потерь металла при окислении с другими расходами на передел. Так, например, при нагреве стальных слитков в нагревательных колодцах стоимость металла, теряемого с окалиной, обычно выше стоимости топлива, расходуемого на нагрев этого металла, и стоимости электроэнергии, расходуемой на его прокатку. При нагреве заготовок в печах сортопрокатных цехов потери с окалиной несколько ниже, но все же они достаточно велики и по стоимости соизмеримы с расходами на топливо. Так как на пути от слитка до готового изделия металл обычно подвергается нагреву несколько раз в разных печах, то потери вследствие окисления составляют весьма существенную величину. Помимо этого, более высокая твердость оксидов по сравнению с металлом приводит к повышенному износу инструментов и увеличивает процент брака при ковке и прокатке.

Меньшая по отношению к металлу теплопроводность образовавшегося на поверхности слоя оксидов увеличивает продолжительность нагрева в печах, что влечет за собой снижение их производительности при прочих равных условиях, а осыпающиеся оксиды образуют шлаковые наросты на поду печей, затрудняя эксплуатацию и вызывая повышенный расход огнеупорных материалов.

Появление окалины также не позволяет точно измерять температуру поверхности металла, задаваемую технологами, что усложняет управление тепловым режимом печи.

Упоминавшееся выше взаимодействие с газовой средой в печи какого-либо элемента сплава имеет практическое значение для стали. Снижение содержания углерода в ней вызывает понижение твердости и предела прочности. Для получения заданных механических свойств изделия приходится снимать обезуглероженный слой (достигающий 2 мм), что увеличивает трудоемкость обработки в целом. Особенно недопустимо обезуглероживание тех изделий, которые в последующем подлежат поверхностной термической обработке.

Процессы окисления сплава в целом и его отдельных примесей при нагреве в печах следует рассматривать совместно, поскольку они тесно связаны между собой. Например, по опытным данным, при нагреве стали до температуры 1100°С и выше в обычной печной атмосфере окисление протекает быстрее, чем обезуглероживание поверхности, и образующаяся окалина играет роль защитного слоя, предупреждающего обезуглероживание. При более низких температурах окисление многих сталей (даже в ярко выраженной окислительной среде) идет медленнее, чем обезуглероживание. Поэтому сталь, нагреваемая до температуры 700-1000 °С, может иметь обезуглероженную поверхность. Это особенно опасно, так как диапазон температур 700-1000 °С характерен для термообработки.

Окисление металла. Окисление сплавов представляет собой процесс взаимодействия окисляющих газов с их основой и легирующими элементами. Этот процесс определяется не только скоростью протекания химических реакций, но и закономерностями образования оксидной пленки, которая по мере роста изолирует поверхность металла от воздействия окислительных газов. Поэтому скорость роста слоя оксидов зависит не только от протекания химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев оксидов к наружным) и атомов кислорода (с поверхности к внутренним слоям), т. е. от условий протекания физического процесса двусторонней диффузии.

Диффузионный механизм образования оксидов железа, подробно изученный В. И. Архаровым, обусловливает трехслойную структуру слоя окалины, образующейся при нагреве стали в окислительной среде. Внутренний слой (примыкающий к металлу) имеет самое высокое содержание железа и состоит главным образом из FeO (вюстита): Fe В V 2 0 2 Ц| FeCX Температура плавления вюстита 1317 °С. Средний слой - магнетит Fe 3 0 4 , имеющий температуру плавления 1565 °С, образуется при последующем окислении вюстита: 3FeO Ц 1 / 2 0 2 ift Fe s 0 4 . Этот слой содержит меньше железа и по сравнению с внутренним слоем обогащен кислородом, хотя и не в такой степени, как наиболее богатый кислородом гематит Fe 2 0 8 (температура плавления 1538 °С): 2Fe 3 0 4 -f V 2 0 2 - Ц 3Fe 2 O s . Состав каждого из слоев не является постоянным по сечению, а постепенно изменяется за счет примесей более (ближе к поверхности) или менее (ближе к металлу) богатых кислородом оксидов.

Окисляющим газом при нагреве в печах является не только свободный кислород, но и кислород связанный, входящий в состав продуктов полного сгорания топлива: СО 2 Н 2 0 и S0 2 . Эти газы, так же как и О 2 , называются окислительными в отличие от восстановительных: СО, Н 2 и СН 4 , которые образуются в результате неполного сгорания топлива. Атмосфера в большей части топливных печей представляет собой смесь N 2 , С0 2 , Н 2 0 и S0 2 с небольшим количеством свободного кислорода. Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о неполном сгорании и недопустимо е точки зрения использования топлива. Поэтому атмосфера обычных топливных печей всегда имеет окислительный характер.

Окислительная и восстановительная способность всех перечисленных газов по отношению к металлу зависит от их концентрации в атмосфере печи и от температуры поверхности металла. Наиболее сильным окислителем является О 2 , за ним следует Н 2 О и наиболее слабым окисляющим воздействием отличается СО 2 . Увеличение доли нейтрального газа в печной атмосфере уменьшает скорость окисления, которая в значительной степени зависит от содержания Н 2 О и SO 2 в печной атмосфере. Присутствие в печных газах даже очень небольших количеств SO 2 резко увеличивает скорость окисления, так как на поверхности сплава образуются легкоплавкие соединения из оксидов и сульфидов. Что касается H 2 S, то это соединение может присутствовать в восстановительной атмосфере и его воздействие на металл (наряду с SO 2) приводит к увеличению содержания серы в поверхностном слое. Качество металла при этом Сильно ухудшается, причем особенно вредное влияние сера оказывает на легированные Стали, так как они поглощают ее в большей степени, чем простые углеродистые, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику.

Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности металла зависит не только от атмосферы, в которой нагревается металл, но к От ряда других факторов, к которым в первую очередь относятся температура и продолжительность нагрева. Чем выше Температура поверхности металла, тем выше скорость его окисления. Однако установлено, что скорость роста слоя оксидов возрастает быстрее после достижения некоторой температуры. Так, окисление стали при температурах до 600°С происходит со сравнительно малой скоростью, а при температурах свыше 800-900°С скорость роста слоя оксидов резко возрастает. Если принять скорость окисления при 900 °С за единицу, то при 950°С она составит 1,25, при 1000°С- 2, а при 1300 - 7.

Продолжительность пребывания металла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образующихся оксидов. Увеличение продолжительности нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя оксидов, хотя скорость окисления падает со временем из-за утолщения образующейся пленки и, следовательно, уменьшения плотности диффузионного потока через нее ионов железа и атомов кислорода. Установлено, что если толщина окисленного слоя составляет δ 1 при времени нагрева t 1 то при времени нагрева t 2 до той же температуры толщина окисленного слоя будет равна:

δ 2 = δ1/( t 1 / t 2 ) 1/2 .

Продолжительность нагрева металла до заданной температуры может быть сокращена, в частности, в результате увеличения температуры в рабочей камере печи, что приводит к более интенсивному внешнему теплообмену и, таким образом, способствует уменьшению толщины окисленного слоя.

Установлено, что факторы, влияющие на интенсивность диффузии кислорода к поверхности нагреваемого металла из атмосферы печи, не оказывает существенного влияния на рост слоя оксидов. Это обусловлено тем, что диффузионные процессы в самой твердой поверхности протекают медленно и именно они являются определяющими. Поэтому скорость движения газов практически не влияет на окисление поверхности. Однако картина движения продуктов сгорания в целом может оказывать заметное влияние, так как местные перегревы металла, обусловленные неравномерным полем температуры газов в печи (которое может быть вызвано чрезмерно большим углом наклона горелок, их неправильным размещением по высоте и длине печи и т. д.), неизбежно приводят к местному интенсивному окислению металла.

Условия перемещения нагреваемых заготовок внутри печей и состав нагреваемого сплава также оказывают заметное влияние на скорость его окисления. Так, при перемещении металла в печи может происходить механическое отслаивание и отделение образовавшегося слоя оксидов, что способствует более быстрому последующему окислению незащищенных участков.

Наличие в сплаве некоторых легирующих элементов (например, для стали Сr, Ni, Al, Si и др.) может обеспечить образование тонкой и плотной, хорошо прилегающей пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали называются жаростойкими и хорошо сопротивляются окислению при нагреве. Помимо этого, сталь с более высоким содержанием углерода в меньшей степени подвержена окислению, чем малоуглеродистая. Это объясняется тем, что в стали часть железа находится в связанном с углеродом состоянии, в виде карбида железа Fe 3 C. Углерод же, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в оксид углерода, диффундирующий к поверхности и препятствующий окислению железа.

Обезуглероживание поверхностного слоя стали . Обезуглероживание стали при нагреве происходит в результате взаимодействия газов с углеродом, который находится или в виде твердого раствора, или в виде карбида железа Fe 8 C. Реакции обезуглероживания в результате взаимодействия различных газов с карбидом железа могут протекать следующим образом:

Fe 3 C + Н 2 О = 3Fe + СО + Н 2 ; 2Fe 3 C + О 2 = 6Fe + 2СО;

Fe 3 C + СО 2 = 3Fe + 2СО; Fe 3 C + 2H 2 = 3Fe + CH 4 .

Аналогичные реакции протекают при взаимодействии этих газов с углеродом, находящимся в твердом растворе.

Скорость обезуглероживания определяется главным образом процессом двухсторонней диффузии, происходящей под действием разности концентраций обеих сред. С одной стороны, обезуглероживающие газы диффундируют к поверхностному слою стали, а с другой - образующиеся газообразные продукты движутся в обратном направлении. Помимо этого, углерод из внутренних слоев металла перемещается в поверхностный обезуглероженный слой. Как константы скорости химических реакций, так и коэффициенты диффузии увеличиваются с повышением температуры. Поэтому глубина обезуглероженного слоя возрастает с увеличением температуры нагрева. А поскольку плотность диффузионного потока пропорциональна разности концентраций диффундирующих компонентов, то глубина обезуглероженного слоя больше в случае нагрева высокоуглеродистой стали, чем в случае нагрева малоуглеродистой. Легирующие элементы, содержащиеся в стали, также играют определенную роль в процессе обезуглероживания. Так, хром и марганец понижают коэффициент диффузии углерода, а кобальт, алюминий и вольфрам увеличивают его, соответственно препятствуя или способствуя обезуглероживанию стали. Кремний, никель и ванадий не оказывают существенного влияния на обезуглероживание.

К числу газов, входящих в состав печной атмосферы и вызывающих обезуглероживание, относятся Н 2 0, СО 2 , О 2 и Н 2 . Наиболее сильным обезуглероживающим воздействием на сталь отличается Н 2 0, а наиболее слабым Н 2 . При этом обезуглероживающая способность СО 2 увеличивается с ростом температуры, а обезуглероживающая способность сухого Н 2 уменьшается. Водород в присутствии водяных паров оказывает очень сильное обезуглероживающее воздействие на поверхностный слой стали.

Защита стали от окисления и обезуглероживания. Вредное влияние окисления и обезуглероживания металла при нагреве на его качество требует принятия мер, предупреждающих эти явления. Наиболее полная защита поверхности слитков, заготовок и деталей достигается в печах, где исключается воздействие на нее окисляющих и обезуглероживающих газов. К числу таких печей относятся соляные и металлические ванны, а также печи, где нагрев ведется в контролируемой атмосфере. В печах подобного типа изолируется от газов либо нагреваемый металл, обычно закрываемый специальным герметичным муфелем, либо само пламя помещается внутрь так называемых радиантных труб, тепло от которых передается к нагреваемому металлу без его контакта с окисляющими и обезуглероживающими газами. Рабочее пространство таких печей заполняется специальными атмосферами, состав которых выбирается в зависимости от технологии нагрева и марки сплава. Защитные атмосферы приготовляются отдельно в специальных установках.

Известен также способ создания слабоокислительной атмосферы непосредственно в рабочем пространстве печей, без муфелирования металла или пламени. Это достигается за счет неполного сжигания топлива (с коэффициентом расхода воздуха 0,5- 0,55). В состав продуктов сгорания при этом входят СО и Н а наряду с продуктами полного сгорания СО 2 и Н 2 О. Если соотношения СО/С02 и H 2 /H 2 O не меньше 1,3, то нагрев металла в такой среде происходит почти без окисления его поверхности.

Уменьшение окисления поверхности металла при его нагреве в топливных печах с открытым пламенем (составляющих большую часть парка печей металлургических и машиностроительных заводов) может быть достигнуто также за счет сокращения продолжительности пребывания его при высокой температуре поверхности. Это достигается выбором наиболее рационального режима нагрева металла в печи.

Расчеты нагрева металла в печах выполняются для определения темпе-ратурного поля слитка, заготовки или готового изделия, исходя из условий, продиктованных технологической целью нагрева. При этом учитываются ог-раничения, накладываемые процессами, протекающими при нагреве, а также закономерности выбранного режима нагрева. Часто рассматривается задача определения времени нагрева до заданной температуры при условии обеспе-чения требуемой равномерности к концу его пребывания в печи (последнее - в случае массивных тел). При этом обычно задаются законом изменения тем-пературы греющей среды, выбирая режим нагрева в зависимости от степени термической массивности металла. Для выявления степени термической массивности и для последующего расчета нагрева очень важен вопрос о прогреваемой толщине слитка или заготовки.

Если знать, как закалить металл правильно, то даже в домашних условиях можно повысить твердость изделий из него в два-три раза. Причины, по которым возникает необходимость в этом, могут быть самыми разными. Такая технологическая операция, в частности, требуется в том случае, если металлу надо придать твердость, достаточную для того, чтобы он мог резать стекло.

Чаще всего закалить надо режущий инструмент, причем выполняется термическая обработка не только в том случае, если надо увеличить его твердость, но также и тогда, когда данную характеристику требуется уменьшить. Когда твердость инструмента слишком мала, его режущая часть будет заминаться в процессе эксплуатации, если же она высока, то металл будет крошиться под воздействием механических нагрузок.

Немногие знают, что существует простой способ, позволяющий проверить, насколько хорошо закален инструмент из стали, не только в производственных или домашних условиях, но и в магазине, при покупке. Для того чтобы выполнить такую проверку, вам потребуется обычный напильник. Им проводят по режущей части приобретаемого инструмента. Если тот закалили плохо, то напильник будет как будто прилипать к его рабочей части, а в противоположном случае – легко отходить от тестируемого инструмента, при этом рука, в которой находится напильник, не будет чувствовать на поверхности изделия никаких неровностей.

Если все же так вышло, что в вашем распоряжении оказался инструмент, качество закалки которого вас не устраивает, переживать по этому поводу не стоит. Решается такая проблема достаточно легко: закалить металл можно даже в домашних условиях, не используя для этого сложного оборудования и специальных приспособлений. Однако следует знать, что закалке не поддаются малоуглеродистые стали. В то же время твердость углеродистых и достаточно просто повысить даже в домашних условиях.

Технологические нюансы закалки

Закалка, которая является одним из типов термической обработки металлов, выполняется в два этапа. Сначала металл нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Различные металлы и даже стали, относящиеся к разным категориям, отличаются друг от друга своей структурой, поэтому режимы выполнения термической обработки у них не совпадают.

Термическая обработка металла (закалка, отпуск и др.) может потребоваться для:

его упрочнения и повышения твердости;
улучшения его пластичности, что необходимо при обработке методом пластической деформации.

Закаливают сталь многие специализированные компании, но стоимость этих услуг достаточно высока и зависит от веса детали, которую требуется подвергнуть термической обработке. Именно поэтому целесообразно заняться этим самостоятельно, тем более что сделать это можно даже в домашних условиях.

Если вы решили закалить металл своими силами, очень важно правильно осуществлять такую процедуру, как нагрев. Этот процесс не должен сопровождаться появлением на поверхности изделия черных или синих пятен. О том, что нагрев происходит правильно, свидетельствует ярко-красный цвет металла. Хорошо демонстрирует данный процесс видео, которое поможет вам получить представление о том, до какой степени нагревать металл, подвергаемый термической обработке.

В качестве источника тепла для нагрева до требуемой температуры металлического изделия, которое требуется закалить, можно использовать:

специальную печь, работающую на электричестве;
паяльную лампу;
открытый костер, который можно развести во дворе своего дома или на даче.

Выбор источника тепла зависит от того, до какой температуры надо нагреть металл, подвергаемый термической обработке.

Выбор метода охлаждения зависит не только от материала, но также от того, каких результатов нужно добиться. Если, например, закалить надо не все изделие, а только его отдельный участок, то охлаждение также осуществляется точечно, для чего может использоваться струя холодной воды.

Технологическая схема, по которой закаливают металл, может предусматривать мгновенное, постепенное или многоступенчатое охлаждение.

Быстрое охлаждение, для которого используется охладитель одного типа, оптимально подходит для того, чтобы закаливать стали, относящиеся к категории углеродистых или легированных. Для выполнения такого охлаждения нужна одна емкость, в качестве которой может использоваться ведро, бочка или даже обычная ванна (все зависит от габаритов обрабатываемого предмета).

В том случае, если других категорий или если кроме закалки требуется выполнить отпуск, применяется двухступенчатая схема охлаждения. При такой схеме нагретое до требуемой температуры изделие сначала охлаждают водой, а затем помещают в минеральное или синтетическое масло, в котором и происходит дальнейшее охлаждение. Ни в коем случае нельзя использовать сразу масляную охлаждающую среду, так как масло может воспламениться.

Для того чтобы правильно подобрать режимы закалки различных марок сталей, следует ориентироваться на специальные таблицы.

Как закалить сталь на открытом огне

Как уже говорилось выше, закалить сталь можно и в домашних условиях, используя для нагрева открытый костер. Начинать такой процесс, естественно, следует с разведения костра, в котором должно образоваться много раскаленных углей. Вам также потребуются две емкости. В одну из них надо налить минеральное или синтетическое масло, а в другую – обычную холодную воду.

Для того чтобы извлекать раскаленное железо из костра, вам понадобятся кузнечные клещи, которые можно заменить любым другим инструментом подобного назначения. После того как все подготовительные работы выполнены, а в костре образовалось достаточное количество раскаленных углей, на них можно уложить предметы, которые требуется закалить.

По цвету образовавшихся углей можно судить о температуре их нагрева. Так, более раскаленными являются угли, поверхность которых имеет ярко-белый цвет. Важно следить и за цветом пламени костра, который свидетельствует о температурном режиме в его внутренней части. Лучше всего, если пламя костра будет окрашено в малиновый, а не белый цвет. В последнем случае, свидетельствующем о слишком высокой температуре пламени, есть риск не только перегреть, но даже сжечь металл, который надо закалить.

За цветом нагреваемого металла также необходимо внимательно следить. В частности, нельзя допустить, чтобы на режущих кромках обрабатываемого инструмента появлялись черные пятна. Посинение металла свидетельствует о том, что он сильно размягчился и стал слишком пластичным. Доводить до такого состояния его нельзя.

После того как изделие прокалится до требуемой степени, можно приступать к следующему этапу – охлаждению. В первую очередь, его опускают в емкость с маслом, причем делают это часто (с периодичностью в 3 секунды) и как можно более резко. Постепенно промежутки между этими погружениями увеличивают. Как только раскаленная сталь утратит яркость своего цвета, можно приступать к ее охлаждению в воде.

При охлаждении водой металла, на поверхности которого остались капельки раскаленного масла, следует соблюдать осторожность, так как они могут вспыхнуть. После каждого погружения воду необходимо взбалтывать, чтобы она постоянно оставалась прохладной. Получить более наглядное представление о правилах выполнения такой операции поможет обучающее видео.

Есть определенные тонкости при охлаждении закаливаемых сверл. Так, их нельзя опускать в емкость с охлаждающей жидкостью плашмя. Если поступить таким образом, то нижняя часть сверла или любого другого металлического предмета, имеющего вытянутую форму, резко охладится первой, что приведет к ее сжатию. Именно поэтому погружать такие изделия в охлаждающую жидкость необходимо со стороны более широкого конца.

Для термической обработки особых сортов стали и плавки цветных металлов возможностей открытого костра не хватит, так как он не сможет обеспечить нагрев металла до температуры 700–9000. Для таких целей необходимо использовать специальные печи, которые могут быть муфельными или электрическими. Если изготовить в домашних условиях электрическую печь достаточно сложно и затратно, то с нагревательным оборудованием муфельного типа это вполне осуществимо.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Муфельная печь, которую вполне возможно сделать самостоятельно в домашних условиях, позволяет закалить различные марки стали. Основным компонентом, который потребуется для изготовления этого нагревательного устройства, является огнеупорная глина. Слой такой глины, которой будет покрыта внутренняя часть печи, должен составлять не более 1 см.

Схема камеры для закалки металла: 1 — нихромовая проволока; 2 — внутренняя часть камеры; 3 — наружная часть камеры; 4 — задняя стенка с выводами спирали

Для того чтобы придать будущей печи требуемую конфигурацию и желаемые габариты, лучше всего изготовить форму из картона, пропитанного парафином, на которую и будет наноситься огнеупорная глина. Глина, замешанная с водой до густой однородной массы, наносится на изнаночную сторону картонной формы, от которой она сама отстанет после полного высыхания. Металлические изделия, нагреваемые в таком устройстве, помещаются в него через специальную дверцу, которая тоже изготавливается из огнеупорной глины.

Камеру и дверцу устройства после просушки на открытом воздухе дополнительно просушивают при температуре 100°. После этого их подвергают обжигу в печи, температуру в камере которой постепенно доводят до 900°. Когда они остынут после обжига, их необходимо аккуратно соединить друг с другом, используя слесарные инструменты и наждачную шкурку.

На поверхность полностью сформированной камеры наматывают нихромовую проволоку, диаметр которой должен составлять 0,75 мм. Первый и последний слой такой намотки необходимо скрутить между собой. Наматывая проволоку на камеру, следует оставлять между ее витками определенное расстояние, которое тоже надо заполнить огнеупорной глиной, чтобы исключить возможность короткого замыкания. После того как слой глины, нанесенный для обеспечения изоляции между витками нихромовой проволоки, засохнет, на поверхность камеры наносится еще один слой глины, толщина которого должна составлять примерно 12 см.

Готовая камера после полного высыхания помещается в корпус из металла, а зазоры между ними засыпаются асбестовой крошкой. Для того чтобы обеспечить доступ к внутренней камере, на металлический корпус печи навешиваются дверцы, отделанные изнутри керамической плиткой. Все имеющиеся зазоры между конструктивными элементами заделываются при помощи огнеупорной глины и асбестовой крошки.

Концы нихромовой обмотки камеры, к которым необходимо подвести электрическое питание, выводятся с задней стороны ее металлического каркаса. Чтобы контролировать процессы, происходящие во внутренней части муфельной печи, а также замерять температуру в ней при помощи термопары, в ее передней части необходимо выполнить два отверстия, диаметры которых должны составлять 1 и 2 см соответственно. С лицевой части каркаса такие отверстия будут закрываться специальными стальными шторками. Самодельная конструкция, изготовление которой описано выше, позволяет в домашних условиях закаливать слесарные и режущие инструменты, рабочие элементы штампового оборудования и др.