Как правильно закалить металл в домашних условиях: видео, фото

Введение

Есть характеристика стали – наследственная и приобретенная зернистость. Размер зерна может быть меньше и больше, а также он меняется под воздействием высоких температур. Насколько быстро – зависит от количества примесей. Нельзя однозначно сказать, какая кристаллическая решетка, какие соединения лучше. В одних случаях от этого зависит прочность, в других пластичность. Этот показатель необходимо менять в зависимости от того, какая обработка предстоит. Если листовую сталь или профиль планируют подвергнуть резке, то следует провести процедуру, приводящую к укрупнению зерна. А если работа предстоит с высокоуглеродистой сталью, то лучше обрабатываются заготовки с мелкозернистой структурой.

Изменить зернистость достаточно трудно. При этом нужно учитывать наследственную склонность. Это не значит, что сплав в любом случае будет иметь крупные зерна, но при одинаковом нагреве двух брусков с различной наследственностью один быстрее другого произведет рост соединений. Поэтому фактор очень важен при подборе нагрева. Так не каждый как правильно закалять металл в домашних условиях можно только выборочно, следует знать химический состав.

Сплав имеет множество примесей. Среди них:

Феррит. Это основополагающий элемент, которого больше всего. Он несет основные свойства, остальные вещества только увеличивают или уменьшают их.
Перлит. Увеличивает твердость и прочность на растяжение и сжатие.
Цементит. Химическая формулы – железо с углеродом. И хоть элемент «С» увеличивает прочностные характеристики, если применять FeC чистым, то можно удивиться его хрупкости.
Графит. Высокоуглеродистые дамасские стали получаются при насыщении этой примесью в момент обработки методом ковки.
Аустенит. Формируется в момент очень высокого нагрева. При этом увеличивается пластичность, а также исчезают магнитные свойства.

Если углерода в составе от 0% до 2,18%, то мы имеет дело со сталью – низкоуглеродистой (до 0,8%) или углеродистой. А если его больше, чем 2,18%, то перед нами прочный чугун. Делаем вывод: характеристики зависят от двух причин:

количество примесей;
степень термальной обработки.

И если первое вы не сможете изменить самостоятельно, то второе – наверняка.

Введение

Сплав имеет множество примесей. Среди них:

Феррит. Это основополагающий элемент, которого больше всего. Он несет основные свойства, остальные вещества только увеличивают или уменьшают их.
Перлит. Увеличивает твердость и прочность на растяжение и сжатие.
Цементит. Химическая формулы – железо с углеродом. И хоть элемент «С» увеличивает прочностные характеристики, если применять FeC чистым, то можно удивиться его хрупкости.
Графит. Высокоуглеродистые дамасские стали получаются при насыщении этой примесью в момент обработки методом ковки.
Аустенит. Формируется в момент очень высокого нагрева. При этом увеличивается пластичность, а также исчезают магнитные свойства.

количество примесей;
степень термальной обработки.

И если первое вы не сможете изменить самостоятельно, то второе – наверняка.

3 Охлаждение металла – опасности и предосторожности!

В качестве основы для охлаждающих жидкостей используют воду. Это должна быть чистая вода без примесей соли или мыла, поскольку даже их небольшое содержание может изменить скорость охлаждения. Закалочный бак недопустимо использовать в посторонних целях, как недопустимо и охлаждать изделие под проточной водой. Оптимальной температурой охлаждающей жидкости считается 30 °С.

Водяная закалка имеет ряд недостатков. Главный минус – образование трещин и коробление металла, поэтому таким способом пользуются только при изготовлении цементированных изделий или изделий несложной формы, которые будут проходить финишную обработку.

Детали, закаленные в таком растворе, имеют характерный светлый оттенок. Закалочная ванна на основе каустической соды обязательно должна быть оборудована вытяжкой, поскольку пары, образующиеся при контакте раскаленного металла и каустика, вредны для человеческого организма.

Минеральные масла – наиболее подходящая охлаждающая среда для изделий из легированной стали, как и для тонких изделий из углеродистой стали. Преимущество таких ванн состоит в том, что независимо от температуры среды скорость охлаждения не меняется. Что при температуре 30 °С, что при температуре 100 °С она будет одинакова. Главное, не допустить попадания воды в такую среду, поскольку эту приводит к растрескиванию поверхности изделия. Избежать этого можно, нагрев масло до температуры выше температуры кипения воды. Однако при использовании масляной ванны следует помнить и о недостатках данного способа. В частности, при закалке выделяются вредные газы, на изделии образуется налет, а сама среда имеет склонность к возгоранию. К тому же, со временем масло теряет закаливающие способности

Конечно же, при работе важно не забывать о безопасности – для погружения детали в охлаждающий раствор используют специальные щипцы с очень длинными ручками, руки защищают перчатки из очень толстой огнеупорной ткани или кожи, а лицо закрывает маска из закаленного стекла. Плечи, шею и грудь скрывают за кожанной или толстотканной одеждой

Что такое отпуск стали

Отпуском металла называют один из видов термической обработки, при которой сохраняется его фазовое состояние, но при этом корректируется ряд закалочных характеристик. В первую очередь при отпуске резко уменьшается напряжение внутренней структуры, которое возникает в результате деформаций кристаллической решетки при закалке.

Кроме того, снижается жесткость и хрупкость, что является следствием насыщения игольчатых элементов мартенсита ферритом и образования перлитовых зерен (см. рис. ниже). Такая структура сохраняет свойства закаленного металла, но вместе с тем становится более пластичной и вязкой.

У легированных сталей все эти процессы протекают с некоторыми отличиями, которые связаны с тем, что легирующие элементы в определенных условиях становятся центрами кристаллизации и таким образом изменяют физико-химические характеристики металла.

Стальные изделия отпускают путем их нагрева до заданного значения с последующим медленным охлаждением на открытом воздухе или в специальной среде. От температуры разогрева напрямую зависит фазовое состояние и структура металла, образующиеся после отпускания, а следовательно, и его физические характеристики.

В целом соблюдается правило: чем выше температура, тем ниже хрупкость и твердость и выше гибкость и вязкость. В зависимости от используемых температурных диапазонов выделяют три основных вида отпуска стали: низкий, средний и высокий, пределами нагревания которых являются, соответственно, 300 ºC, 450 ºC и 650 ºC. Первый вид характеризуется самой высокой твердостью, а последний — самой большой ударной вязкостью.

Температуры нагрева при отпуске сталей напрямую зависят от их химического состава, т. к. легирующие добавки оказывают значительное влияние на процесс формирования структурных элементов. Обычно это связано с замедлением распада мартенсита, что требует повышения температурных режимов.

Кроме того, при отпуске высоколегированных сталей могут присутствовать такие явления, как увеличение жесткости, связанное с образованием троостита, и возникновение отпускной хрупкости.

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.

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.

Что такое закалка металлов и ее виды

Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.

Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.

Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.

После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.

Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.

При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.

Особенности закалки стали

Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.

Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.

Виды закаливания сталей

В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.

Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.

Видео:

Охлаждающая среда

Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.

Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.

Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).

Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.

Различают следующие способы охлаждения:

С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.

Температурный режим

Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.

Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.

Это интересно: Цинкование металла своими руками и технологии оцинковки

Важные особенности закалки стали

Экономическая эффективность закалки напрямую зависит от скорости термообработки и охлаждения. Чем она выше, тем меньше расходуется энергии. Однако быстрый нагрев приводит к возникновению большого перепада температур между поверхностными слоями и сердцевинами изделий. В результате появляются трещины и происходят деформации. Именно поэтому термическая обработка проводится плавно и равномерно. Процесс контролирует технолог-термист. Используются табличные значения и эмпирические формулы.
На процесс преобразования структуры и изменения состава металла при его калении напрямую влияет скорость охлаждения заготовки или изделия. Например, быстрое охлаждение с применением обычной воды комнатной температуры приводит к получению углеродистой стали с мартенситной структурой, а при использовании горячей жидкости или масел получаются трооститы.
Режимы термической обработки и охлаждения также зависят от форм и размеров деталей и изделий. Поэтому в каждом конкретном случае специалисты разрабатывают индивидуальные операционные карты и маршрутные технологии.
Технология получения каленого металла выглядит так.
Все поверхности тщательно очищаются от ржавчины, масла и иных загрязнений.

Деталь или изделие равномерно прогревается до нужной температуры.

Производятся охлаждение и отпуск. При калении металла в домашних условиях температуру изделий и заготовок определяют по цветам побежалости. Ориентируйтесь по данным из таблицы.

Цвет разогретого металла	Температура
Ярко-белый	Более 1300 °C
Желто-белый	От 1250 до 1300 °C
Светло-желтый	От 1150 до 1250 °C
Темно-желтый	От 1050 до 1150 °C
Оранжевый	От 900 до 1050 °C
Красный	От 870 до 900 °C
Ярко-красный	От 830 до 870 °C
Вишнево-алый со светлым оттенком	От 800 до 830 °C
Вишнево-алый	От 770 до 800 °C
Вишнево-красный	От 730 до 770 °C
Вишневый	От 650 до 730 °C
Красно-коричневый	От 580 до 650 °C
Темно-коричневый	От 530 до 580 °C

Особенности охлаждения различных деталей и изделий

Тонкостенные детали и изделия, изготовленные из углеродистых и легированных сталей, охлаждают с применением минеральных масел. Процесс происходит при постоянной температуре. Она не зависит от температуры воздуха. Вода в охладителе должна отсутствовать.
Для каления углеродистых сталей со сложным химическим составом используют комбинированное охлаждение. Вначале заготовку помещают в воду, а затем – в масляную ванну. Смена сред должна происходить очень быстро.
Детали, заготовки и изделия сложных форм охлаждают с применением раствора каустической соды (50 %). Его нагревают до +60 °C. Сталь, охлажденная в этой среде, приобретает светлый оттенок.

Для получения простых каленых деталей и изделий из металлов чаще всего применяют обычную воду. Оптимальная температура — +30 °C. Соли и примеси в среде должны отсутствовать.

Проверка качества закалки

Для того чтобы определить, удалось ли закалить изделие из стали до нужной твердости, у домашнего мастера не так уж и много способов. Традиционный — это попробовать поцарапать металл надфилем (не алмазным), который обычно имеет твердость 55÷60 HRC. Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме. Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.

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.

Способы бытовой закалки металла

Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей. Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали. К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки. На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.

Для того чтобы закалить изделие из стали с полным и равномерным прогревом, лучше всего воспользоваться такими источниками тепла, как кузнечные горны и закрытые печи. Это оборудование несложно изготовить самому в домашней мастерской, а эксплуатировать его можно как в помещении, так и на открытом воздухе. Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия. Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.

Закалка на открытом огне

Самый простой способ закалить небольшую деталь в домашних условиях — это нагреть ее на открытом пламени до нужной температуры, руководствуясь при этом цветовыми таблицами. В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке. Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров. Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.

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.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология воронения металла в домашних условиях

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.

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:

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.

Видео:

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.

Как самому накалить металл

Инструкция по использованию печи:

Разведите огонь.
Подготовьте 2 емкости — с маслом и с водой.
Добавьте угли и включите поддув.
Положите деталь клещами, подождите 15-20 минут.
Положите заготовку в первую емкость, а затем в воду.

Изготовление камеры для закаливания

Название такой конструкции – муфельная печь. Она делается из огнеупорной глины, которую нужно заливать в любую форму, например, подготовленную из картона. Слой должен быть – 0,8-1 см. Нагревательный элемент – нихромовая спираль из проволоки. Посмотрим видео с подробной инструкцией:

Температура для закалки

Нормативная температура нагрева стали при ее закалке напрямую зависит от массовой доли углерода и легирующих добавок. В целом наблюдается следующая зависимость: чем меньше содержание углерода, тем выше температура закалки. При недогреве изделия не успевает сформироваться требуемая структура, а при значительном перегреве происходит обезуглероживание, окисление поверхностного слоя, изменение формы и размера структурных элементов, а также рост внутреннего напряжения. В таблице ниже приведены температуры закалки, отжига и отпуска некоторых марок углеродистых и легированных сталей.

Марка стали	Температура, С
закалки	отжига	отпуска
15Г	800	780	200
65Г	815	790	400
15Х, 20Х	800	870	400
30Х, 35Х	850	880	450
40Х, 45Х	840	860	400
50Х	830	830	400
50Г2	805	830	200
40ХГ	870	880	550
ОХ13	1050	860	750
3Х13	1050	880	450
35ХГС	870	860	500
30ХГСА	900	860	210
У7, У7А	800	780	170
Р9, Р12	1250	860	580
Р9Ф5, Р9К5	1250	860	590
Р18Ф2	1300	900	590
ШХ15	845	780	400
9ХС	860	730	170
Р18К5Ф2	1280	860	580
1Х14Н18Б2БРГ	1150	860	750
4Х14Н1482М	1200	860	750

Определение температуры нагрева в промышленном производстве осуществляется посредством контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия широкое распространение получили инфракрасные приборы, позволяющие дистанционно замерять температуру в любой точки поверхности нагретой детали. Кроме того, приблизительную температуру разогрева стали можно определить по цветовым таблицам.

Что такое закалка металлов и ее виды?

Закалка — популярный способ улучшения характеристик материала. Термообработка позволяет изменить структуру металла. Результатом воздействия высокой температуры является увеличение показателя твердости. После нагрева происходит быстрое охлаждение детали. Для этого она погружается в ёмкость, заполненную маслом или водой.

Чаще всего в домашних условиях выполняется закалка нержавейки, проволоки из разных видов стали и ножей. Но после структурных изменений, сталь становится хрупкой. Если речь идет о цветных металлах, то изменения структуры не происходит. Например, после проведения закалки меди невозможно достигнуть хорошего показателя твердости. Однако при отсутствии структурных изменений материал не становится излишне хрупким