Наиболее часто в качестве охлаждающей жидкости при закалке используются вода и масло. Строго говоря, ни то ни другое полностью не соответствуют необходимым требованиям, к которым относятся:
1) быстрое охлаждение в интервале температур минимальной устойчивости аустенита — 650—550°С (см. с. 19);
2) охлаждение с умеренной скоростью в интервале температур мартенситного превращения — 300—200°С. Последнее обусловлено тем, что мартенситное превращение происходит не одновременно по всему объему детали: раньше оно начинается у поверхности, в результате чего появляются внутренние напряжения и возможны трещины. При меньшей скорости охлаждения такие напряжения также будут меньшими.
В первый период, в интервале температур 800—400°С, вода охлаждает со скоростью примерно 200°С/с. Этого вполне достаточно, чтобы предотвратить распад аустенита в углеродистой стали и обеспечить закалку. Во второй период, в интервале температур 400—100°С, скорость охлаждения в воде резко возрастает (до 400— 800°С/с). А надо было бы как раз наоборот, чтобы в этот период скорость уменьшилась, с тем чтобы снизить напряжения при образовании твердой, но хрупкой мартенситной структуры.
Существует неправильное представление о том, будто бы нагрев воды существенно уменьшает опасность образования трещин. При нагреве воды до 40—50°С скорость охлаждения в первый период снижается до 100°С/с и ниже, в то время как во второй период она, хотя также снижается, но остается все же сравнительно высокой — 350—550°С/с.
При закалке в масле скорость охлаждения получается значительно меньшая, чем в воде. В первый период, при температуре 650—550°С, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Этого уже недостаточно для закалки углеродистых сталей, но вполне подходит для легированных. Зато во второй период, при температуре 200°С, скорость охлаждения в масле в 28 раз ниже, чем в воде. Это значительно уменьшает закалочные напряжения и опасность образования трещин. Такое преимущество масла позволяет закаливать в нем крупные детали сложной формы, не опасаясь возникновения трещин.
Закаливающая способность масел мало зависит от температуры. Так, при нагреве до 120—150°С скорость охлаждения в масле изменяется всего на 50°С/с. Практически это не влияет на результаты закалки. Не следует, однако, с учетом противопожарной безопасности допускать, чтобы температура закалочного масла была более 80—90°С. Перегретое масло слегка дымит. Это опасный признак. В случае вспышки масла бак следует немедленно закрыть крышкой или листами железа.
Закаливающая способность различных масел при одной и той же температуре зависит от их вязкости. В процессе работы вязкость масла постепенно повышается, и, следовательно, закаливающая способность его падает. Это происходит в основном по двум причинам: во-первых, вследствие насыщения масла продуктами его термического разложения и, во-вторых, благодаря попаданию в масло механических примесей (окалины и пр.).
Масло становится непригодным для закалки и подлежит замене, если одна или несколько его характеристик, устанавливаемых при контроле, превосходят следующие предельные нормы:
1) повышение вязкости более чем на 40% по сравнению с исходной;
2) содержание смол более 10%;
3) содержание механических примесей более 0,15%;
4) кислотность более 2—2,5 мг КОН/г.
Промышленностью освоен выпуск специальных закалочных масел серии МЗМ. Они содержат присадки, повышающие стойкость против окисления, улучшающие моющие свойства и снижающие пенообразование. В зависимости от марки такие масла можно использовать при температурах от 70 до 175°С.
Хорошие результаты получаются при использовании для закалки водовоздушной смеси. С этой целью применяют форсунки, в которых вода распыляется с помощью сжатого воздуха. Регулируя соотношение воды и воздуха, а также давление смеси, можно изменять скорость охлаждения. Это особенно важно при закалке крупных деталей, когда охлаждение в воде может вызвать трещины, а охлаждение в масле не обеспечивает получения необходимой твердости. При давлении воздуха 3 ат и расходе воды 100 л/ч скорость охлаждения получается примерно такой же, как и в масле.
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.
Закалка металла в домашних условиях
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.
Зависимость твердости стали от режима термобоработки
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 инструментальных стальных сплавов 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.
Режимы термообработки некоторых цветных сплавов
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.
Закалка ножа на открытых углях
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).
Охлаждение заготовки ножа в масле
В том случае, если закалить надо стали 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.
Режимы термообработки быстрорежущих сталей
Режимы термической обработки легированных инструментальных сталей
Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей
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.
Цвета каления стали
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.
Цвета побежалости стали
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.
Глиняный нагреватель с замурованной нихромовой спиралью
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.
Готовая самодельная камера
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.
Самостоятельное изготовление такой печи (как и закалочного оборудования другого типа) позволяет не только получить в свое распоряжение устройство, полностью соответствующее вашим потребностям, но и хорошо сэкономить, так как серийные модели стоит достаточно дорого.
Mасла достаточно часто применяются в качестве закалочной среды для некоторых низкоуглеродистых сталей и для более широкого спектра средне- и высокоуглеродистых сталей различного легирования. На закаливающую способность масла влияет много факторов, основными из которых являются физико-химические характеристики: вязкость и плотность при различных температурах, теплопроводность, стойкость против шлакообразования (стойкость против старения).
Для того, чтобы понимать, как и в какой степени эти факторы влияют на закаливаемость, нужно более детально рассматривать процесс охлаждения стали. Закалка не является идеально прямой линией между осью ординат и областью минимальной устойчивости аустенита.
Эта линия имеет изгибы, соответствующие разной скорости на разных этапах охлаждения. Такие изменения скоростей являются следствием процессов, происходящих в системе деталь — охлаждающая среда при закалке.
При погружении изделия в закалочную ванну, на его поверхности образуется паровая рубашка, которая имеет низкий коэффициент теплопроводности. Охлаждение на этой стадии протекает очень медленно и характеризуется неравномерностью. Данная фаза длится несколько секунд и является самым важным этапом охлаждения, т.к. при завершении паровой фазы, начинается фаза пузырькового кипения со структурообразующими, критическими скоростями. Фактически, паровая фаза сдвигает диаграмму изотермического превращения аустенита влево, ровно на столько, сколько она длится и снижает температуру начала интенсивного охлаждения. Ускорить протекание этого этапа охлаждения можно при помощи активного перемешивания масла. Здесь, основным показателем эффективности этого мероприятия служит кинематическая вязкость масла. Это свойство зависит от температуры процесса и от природы производства масла. Кинематическая вязкость определяет, с какой скоростью будет двигаться масло в закалочной ванне при перемешивании. Однако следует учитывать, что высокие скорости движения среды могут вызвать сильное вспенивание.
Стадия пузырькового кипения начинается когда целостность паровой пленки нарушается и поверхность детали соприкасается с охлаждающей средой. При этом температура поверхности охлаждаемого изделия быстро понижается до температуры кипения масла и остается постоянной до окончания кипения. Интенсивность охлаждения зависит от теплоты парообразования применяемого масла. Чем больше значение теплоты, тем выше скорость охлаждения.
Далее кипение прекращается, и охлаждение происходит в результате конвективного теплообмена. Скорость охлаждения в этой стадии зависит от вязкости и теплопроводности масла, а также от разности температур изделия и охладителя.
Кроме описанных свойств, для оценки качества масла могут применяться и другие характеристики. Температура вспышки – очень важное свойство в плане противопожарной безопасности. Как правило, в производстве используют масла с температурой вспышки на 50-60 градусов выше, чем температура процесса. Плотность масла может указать на природу его происхождения и способ обработки. Однако присадки могут изменить это значение, поэтому характеристика плотности не может служить адекватным показателем качества. Стойкость против старения – показатель экономической эффективности использования того или иного масла. Это время нормальной работы охлаждающей среды до образования продуктов горения и шлака на дне и стенках ванны. Время смены масла чаще определяется практически, по изменению цвета закаливаемых изделий или появлением мягких пятен на поверхности. Производители закалочных масел предпочитают не указывать эту характеристику в документации.
Еще одной экономической характеристикой качества масла является скорость уноса вещества с обрабатываемыми поверхностями деталей. Она не может быть однозначно определена, т.к. в большей степени зависит от конкретных условий использования (одиночный закалочный бак, бак в составе автоматической линии, с учетом времени на стекание или без учета). Однако эта характеристика находится в некоторой корреляции с вязкостью масла и чаще не превышает 1% площади обрабатываемых изделий. При сравнении характеристик масел, нужно обращать внимание на допустимое количество воды и посторонних примесей. Вода в масле может быть причиной неравномерной твердости и возгорания закалочного бака. Чем больше воды в масле, тем больше вероятность этих явлений.
Идеальное закалочное масло должно охлаждать изделия максимально быстро в области минимальной устойчивости аустенита и максимально медленно в области Мн — Мк. Из выше сказанного следует, что при выборе такого идеального и безопасного закалочного масла, в первую очередь следует учитывать его вязкость, теплоту парообразования, теплопроводность и температуру вспышки.