Главная » Разное » Как отпустить и закалить металл в домашних условиях
05Дек
Содержание статьи
- Введение
- Технологические нюансы: как правильно закаливать металл
- Термообработка: как лучше закалить железо в домашних условиях
- Проверка твердости после закаливания металла в домашних условиях
- Закалка и отпуск металла в домашних условиях своими руками в масле
- Как закалять сталь в домашних условиях: особенности процесса
- Изготовление горна
- Как самому накалить металл?
- Оборудование и особенности закалки
Процесс термической металлообработки кажется сложным. Но его можно провести даже дома, правда – с дополнительной подготовкой. Перед началом лучше почитать нашу статью о том, как правильно самому закалить деталь или сверло или вал в домашних условиях в масле.
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.
Технологические нюансы: как правильно закаливать металл
Сама процедура включает в себя три шага – нагрев, выдержку и остывание. Оттого, какой результат вы хотите получить и на каком материале работаете, выбирают различные параметры: предел, продолжительность, а также способы охлаждения. Приведем таблицу с несколькими марками стали:
| Марка | Температура в градусах | Среда охлаждения |
| у9, у9а, у10, у10а | от 770 до 800 | вода |
| 85хф, х12 | от 800 до 840 | масло |
| хвт | от 830 до 830 | |
| 9хс | от 860 до 870 | |
| хв5 | от 900 до 1000 | |
| 9х5вф | от 1000 до 1050 | |
| р9, р18 | от 1230 до 1300 | селитра |
Есть две основные цели термообработки:
- повышение прочности – это необходимо для ножей, топоров, сверл и других инструментов, которыми обрабатывают твердые поверхности;
- увеличение пластичности изделия. Например перед тем, как ковать или гнуть – применяется скорее не в быту, а при небольшом частном деле.
При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.
При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.
Как правильно закаливать металл и железо, если нет специальной печи для обжига? Применять паяльную лампу или развести обычный костер – его температура и продолжительность горения достаточно велики для того, чтобы выполнить работу, не превышающую бытовых нужд.
Охлаждение можно проводить различными способами. Если срочно нужно сбить нагрев на одном участке изделия, то можно воспользоваться направленной струей холодной воды.
Водное, а значит быстрое, остывание необходимо для легированных и углеродистых сталей. После нагрева следует взять элемент щипцами (если это небольшой нож, топор) и поместить в заранее подготовленную емкость с жидкостью.
При отпуске следует охлаждать постепенно – сперва водой, а затем маслом.
И третий вариант – постепенное остывание на свежем воздухе. Тоже эффективный способ, когда нужно оставить небольшой эффект пластичности. Посмотрим видео по этой теме:
Термообработка: как лучше закалить железо в домашних условиях
Это процесс нагрева с дальнейшим охлаждением для изменения свойств. Помещаем в печь обычный сплав, а достаем – закаленный, который менее восприимчив к внешним деформациям.
Для чего это нужно? При первичной обработке, например при штамповке, резке или литье, внутри сплава появляются внутренние напряжения, которые очень негативно воздействуют на прочностные характеристики и увеличивают хрупкость. Есть четыре типа термообработки:
- Отжиг. Необходим для образования феррита и перлита. Заключается в нагреве в печи до 680-740 градусов, когда уже пройдет порог рекристаллизации. В результате распадаются старые молекулярные связи и образуются новые. Затем следует некоторая выдержка при температурном режиме 400-500, в конце – остывание, медленное, вместе с нагревательным элементом и просто открытыми дверьми.
- Нормализация – аналогичная процедуре для снятия внутреннего напряжения, но нагрев – выше, а охлаждение гораздо быстрее.
- Закалка. Основной происходящий процесс – изменение зернистости, что приводит к нужным результатам. Остывание очень быстрое, часто в воде или масле.
- Отпуск. Бывает в нескольких режимах. О нем поговорим отдельно.
Проверка твердости после закаливания металла в домашних условиях
Привычное для всех в обиходе слово является точным термином и применяется преимущественно к цельным изделиям.
Для проверки в поверхность вдавливается шарик или конус из инструментальной стали, а дальше по формулам производится расчет в зависимости от того, насколько глубокий след остался и какая сила была приложена.
Есть еще один вариант – прибор Роквелла, но его использование дома или в квартире практически невозможно.
Единица измерения твердости – HRC. Для сравнения значений:
- нож кухонный, крепкий, дорогой — от 55 до 63;
- мелкие шестеренки в машинух — от 52 до 58;
- наконечники, инструменты для дрели, сверла — от 60 и выше.
Закалка и отпуск металла в домашних условиях своими руками в масле
Для закалки углеродистых и легированных сталей, лучше всего использовать масляную жидкость. Причины следующие:
- на поверхности заготовки не находится пузырьки;
- поток стимулирует более активную теплоотдачу;
- чтобы не менять тару, чтобы получить две ступени остывания.
Есть специальный аппарат – пирометр – он напоминает градусник, но измерения проводят без непосредственного контакта. Он дорогостоящий, поэтому для домашней работы покупать его не стоит. Посмотрим таблицу цветов, как по ней определять температуру:
| Наименование цвета | Температура в градусах Цельсия |
| Ослепительно белый | 1250-1300 |
| Светло-желтый | 1150-1250 |
| Темно-желтый | 1050-1150 |
| Оранжевый | 900-1050 |
| Светло-красный | 830-900 |
| Светло-вишнево-красный | 800-830 |
| Вишнево-красный | 770-800 |
| Темно-вишнево-красный | 730-770 |
| Темно-красный | 650-730 |
| Коричнево-красный | 580-650 |
| Темно-коричневый | 530-580 |
Отпуск
Обработка требуется для того, чтобы убрать напряжения, образованные при первичной обработке. Различают три степени:
- низкая — для ножей, медицинских инструментов, ножниц, лезвий;
- средняя — для топоров, пил, дисков для распиловки дерева;
- высокая — для деталей, необходимых в машиностроении.
Для определения побежалости также есть таблица цветов:
| Наименование цвета | Температура в градусах Цельсия |
| Серый | 325 |
| Светло-синий | 310 |
| Ярко-синий | 295 |
| Фиолетовый | 285 |
| Пурпурно-красный | 275 |
| Красно-коричневый | 265 |
| Коричнево-желтый | 255 |
| Соломенно-желтый | 240 |
| Светло-желтый | 225 |
| Светло-соломенный | 200 |
Выбор режима следует осуществлять согласно данным:
| Вид отпуска | Температура в градусах Цельсия | Фазовый состав | Применение |
| Низкий | 120-250 | Мартенсит отпуска | Измерительные инструменты, штампы холодного деформирования |
| Средний | 350-500 | Троостит отпуска | Пружины, рессоры, штамповый инструмент горячего деформирования |
| Высокий | 500-650 | Сорбит отпуска | Валы, кулачки, червячные механизмы, шестерни |
Как закалять сталь в домашних условиях: особенности процесса
Рекомендации для правильной закалки:
- нагрев — медленный и постепенный;
- образование темных пятен на поверхности говорит о быстром перегреве;
- дождитесь насыщенного алого цвета;
- режим отпуска должен соответствовать степени закала.
Последний совет можно выполнить, если ознакомиться с таблицей:
| закалка в градусах цельсия | отпуск |
| 1200 | 390 |
| 380 | |
| 1100 | 370 |
| 360 | |
| 1050 | 350 |
| 340 | |
| 980 | 330 |
| 320 | |
| 930 | 310 |
| 300 | |
| 870 | 290 |
| 810 | 280 |
| 270 | |
| 760 | 260 |
| 250 | |
| 700 | 240 |
| 230 | |
| 650 | 220 |
| 210 | |
| 600 | 200 |
| 2,1 | Не подлежит отверждению, но доступен в нескольких формах с разными свойствами. |
Таблица 10–1. Содержание углерода в основных железосодержащих металлах.
| Стальной сплав HSS | Процент | |||||
| Углерод | Хром | Вольфрам | Молибден | Ванадий | Кобальт | |
| M2 | 0.85 | 4,00 | 6,00 | 5,00 | 2,00 | – |
| M42 | 1,10 | 3,75 | 1,50 | 9,50 | 1,15 | 8,00 |
| Т1 | 0.75 | 4,00 | 18,00 | – | 1,00 | – |
| T15 | 1,50 | 4,00 | 12,00 | – | 5,00 | 5,00 |
Таблица 10–2. Основные легирующие элементы быстрорежущих сталей.
Раздел II — Почему сталь твердеет
Структура металлов
В чем разница между структурой металлов в расплавленном и твердом состоянии?
Металлы в горячем жидком состоянии не имеют особой структуры. Среди их атомов нет упорядоченной, определенной или регулярной организации.
Однако при более низких температурах атомы имеют меньше энергии, двигаются медленнее, и атомные силы стремятся организовать их в определенные структуры или узоры, называемые кристаллами .
https://www.youtube.com/watch?v=0vueOUKzTe4
Все металлы и сплавы представляют собой твердые кристаллические вещества. На рис. 10–1 показаны три наиболее распространенные кристаллические структуры металлов и сплавов.
Рисунок 10–1. Три наиболее распространенных кристаллических структуры в металлах и сплавах.
Поведение чистого железа
- Какое поведение проявляет чистое железо, когда его температура постепенно повышается от комнатной до того, как оно станет жидкостью?
- Железо меняет свою кристаллическую структуру при повышении температуры, оставаясь твердым:
- От комнатной температуры до 910 ° C (1670 ° F) он является объемно-центрированным кубическим.
- От 1670 ° F (910 ° C) до 2535 ° F (1390 ° C) он имеет гранецентрированную кубическую форму.
- От 2535 ° F до точки плавления 2800 ° F (1538 ° C) он снова является объемно-центрированным кубическим.
- Что делает эти изменения важными для нас?
Эти изменения между различными кристаллическими структурами для чистого железа сами по себе не особенно важны. Однако если мы добавим к железу всего один процент углерода по весу, мы получим железоуглеродистый сплав, называемый сталью.
Из-за изменений кристаллической структуры железа при разных температурах формируется совершенно новая серия микроструктур.Эти микроструктуры не только радикально отличаются по физическим свойствам от чистого железа и друг от друга, но и могут быть изменены циклами нагрева и охлаждения.
Диаграмма железо-углерод
Что это за новые структуры железо-углерод и когда они образуются?
Лучший способ визуализировать взаимодействие этих двух элементов и результирующие микроструктуры, которые они образуют, — это изучить диаграмму железо-углерод . На этой диаграмме показаны микроструктуры, которые существуют для небольшого процента углерода в железе при различных температурах, рис. 10–2.
Глядя на эту диаграмму, мы видим, что:
- Сталь существует для железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода от 0,2 до 2 процентов.
- Смеси железо-углерод с содержанием углерода более 2 процентов называются чугун .
- Прежде, чем сплав железа с углеродом станет жидкостью, существует шесть различных микроструктур, представленных областями на диаграмме:
- — Перлит и феррит
- — Весь перлит
- — Перлит и цементит
- — Аустенит и феррит
- — весь аустенит
- — Аустенит и цементит
- В областях, показывающих две микроструктуры одновременно, структура меняется от одной микроструктуры к их смеси и ко всем другим компонентам, когда мы перемещаемся вдоль нижней оси, которая представляет содержание углерода.Например, в области «перлит и феррит» диаграммы (внизу слева) структура переходит от всего феррита с 0,2% углерода к смеси феррита и перлита и ко всему перлиту с 2% углерода. Это означает, что в областях двух микроструктур и микроструктура, и ее свойства изменяются с изменением содержания углерода.
- Аустенит существует только при температуре 1333ºF (723ºC) или выше и может содержать до 2 процентов углерода.
Рисунок 10–2.Диаграмма железо-углерод.
.
3 вида отпуска стали для улучшения её качеств
Характерным примером финальной обработки металла является отпуск стали. Он представляет собой нагрев детали на определенное время с медленным остыванием.
Это помогает устранить внутренние дефекты сплава, которые негативно влияют на устойчивость, прочность, пластичность.
Но какие дефекты помогает устранить этот способ термической обработки? Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях? Правда ли, что в случае неправильного нагрева можно ухудшить физические свойства металла?
Описание процесса
Отпуск стали (ОС) — это разновидность термической обработки, при которой происходит постепенный нагрев металла с последующим его остыванием.
В большинстве случаев отпускную процедуру выполняют на заключительном этапе сразу же после закалки. ОС может выполняться как до, так и после формирования детали из стального полуфабриката.
Позволяет устранить внутренние напряжения внутри металла, которые негативно влияют на его физическую структуру, свойства.
Внутренние напряжения на химическом уровне — это нарушения кристаллической структуры металла. Из-за них происходит неравномерное распределение углерода, легирующих добавок по металлическому сплаву. Отпуск позволяет перераспределить эти элементы более равномерно.
Это улучшает физико-химические свойства материала (пластичность, прочность, сохранение формы, химическая инертность). Нагрев осуществляется с помощью специальных печей в защитной среде (масляные, селитровые или щелочные ванны).
Способ охлаждения деталей после нагрева — воздушный (обычно) или жидкостной (редко).
Качество отпуска стали зависит от следующих физических параметров термической процедуры:
- Температура нагрева. ОС может выполняться при температурах от 100 до 700 градусов, а чем выше будет температура нагрева, тем выше лучше будет качество обработки. Объясняется эта зависимость тем, что при более высоких температурах происходит более глубокое изменение структуры кристаллической решетки. В основном за счет процессов полигонизации, рекристаллизации.
- Длительность нагрева. Длительность ОС обычно составляет от 1 до 3 часов, хотя существуют и более длительные форматы. Все основные процессы в материале проходят в первые 20-40 минут. Дополнительная выдержка нужна для равномерного распределения атомов углерода, железа, легирующих добавок по всей толщине материала.
- Скорость остывания. Здесь правило предельно простое — чем медленнее будет проходить остывание, тем выше будет качество материала. Чтобы замедлить остывание, металлурги используют различные уловки, хитрости. Главная хитрость — это помещение материала в масляную, селитровую или щелочную среду, которая замедляет остывание материала. Теоретически остывание можно выполнять и без применения жидкостных сред, однако скорость остывания будет высокой, что негативно скажется на качестве ОС.
Виды отпуска стали
Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий.
Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла.
Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.
Высокий
Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов.
Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла.
Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.
Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку.
Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость.
Средний
Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость.
Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции.
Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:
- В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
- Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.
Низкий
Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов.
Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки.
Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.
Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).
Сводная таблица
| Тип отпуска | Время | Температура отпуска стали | Краткие особенности |
| Низкий | 1-3 часа | От 100 до 250 градусов | Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов. |
| Средний | 2-4 часа | От 350 до 500 градусов | Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений. |
| Высокий | 2-3 часа | От 500 до 700 градусов | Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей. |
Обработка инструментальных сплавов
Высокий, средний и низкий отпуск стали годятся только для температурной обработки сплавов, содержащих менее 0,7% углерода. Для сплавов с более высоким содержанием углерода (их называют инструментальными) используются другие способы. Рассмотрим основные технологии:
- Не рекомендуется делать отпуск быстрорежущих инструментальных сплавов, поскольку они содержат молибден, кобальт, вольфрам, ванадий. Эти элементы устойчивы к нагреву, поэтому они не меняют своих физико-химических свойств при отпускном нагреве. Вместо отпуска рекомендуется делать многоступенчатую закалку: для этого материал поэтапно нагревается до 800, 1050 и 1200 градусов — после этого выполняется резкое охлаждение сплава в масляной среде.
- Обработку обычных инструментальных сплавов рекомендуется выполнять в два этапа. Сначала происходит закалка материала в расплавах солей при температуре 450-500 градусов. После этого выполняется второй этап — двойной отпуск при температуре 550-600 градусов (не более 1 часа). Обратите внимание, что при нагреве инструментальных сплавов возможность возникновения отпускной способности второго рода исключается.
Что такое отпускная хрупкость
Отпускная температура влияет на качество обработки — чем выше будет температура, тем выше будет качество обработки. Однако ученые-металлурги установили, что это правило имеет 2 исключения, когда повышение температуры приводит не к улучшению, а к ухудшению качества материала.
Эти два исключения на практике часто называют островками отпускной хрупкости. К счастью, было придумано несколько эффективных, безопасных способов обойти эти островки, поэтому проблема отпускной способности не является значимой в современной металлургии.
Рассмотрим каждый из островков по отдельности + узнаем о том, как их обойти.
Необратимая низкотемпературная хрупкость
Другое название — хрупкость первого рода. Возникает при длительной обработке материала при температуре от 250 до 300 градусов, а распространяется данная хрупкость на все типы стальных сплавов.
Объяснение феномена: при нагреве в данном температурном диапазоне углерод начинает активно распределяться по поверхности кристаллической решетки.
Однако распределение углерода происходит крайне неравномерно — это приводит к нарушению кристаллической структуры металла, что приводит к серьезному повышению хрупкости.
Как ясно из названия, данная хрупкость является необратимой (то есть островки сохраняют стабильность в течение неограниченного времени, а испорченный материал годится только на переплавку). Методика борьбы с данной хрупкостью тривиальна — нужно использовать либо низкую, либо среднюю термическую обработку — но не «промежуточную» между ними.
Обратимая высокотемпературная хрупкость
Другое название — хрупкость второго рода. Возникает только при комбинации сразу трех факторов одновременно. Первый фактор — металл нагревается выше температуры 500 градусов (то есть данная хрупкость характерна для высокой отпускной обработки).
Второй фактор — сталь является легированным сплавом с высоким содержанием хрома, марганца или никеля. Третий фактор — очень низкая скорость остывания.
Объяснение феномена: при комбинации трех факторов также происходит неравномерное распределение атомов углерода, хрома, марганца и никеля, что приводит к нарушению кристаллической решетки сплава. Существует много способов борьбы с данной хрупкостью — рассмотрим два из них:
- Способ №1: после образования хрупкости происходит повторный нагрев материала до заданной температуры — только нагрев осуществляется в масляной среде, а охлаждение металла после отпуска осуществляется очень быстро.
- Способ №2: во время отпускной обработки в сплав дополнительно вносится вольфрам (около 1% от общей массы) либо молибден (0,3-0,4%) — после этого выполняется высокий отпуск по стандартной технологии.
Можно ли выполнить отпуск стали в домашних условиях?
Чаще все термообработка распространяется на различные простые детали, домашнюю утварь — ножи, вилки, металлические чашки, детали автомобилей и так далее. Однако домашняя металлургия обладает множеством ограничений, о которых простой человек может не знать. Рассмотрим основные проблемы, с которым может столкнуться человек во время отпуска стали в домашних условиях:
- Большинство домашних печей не могут выполнить нагрев до высоких температур. Поэтому в домашних условиях можно сделать только низкий или средний отпуск. Теоретически можно попытаться переоборудовать или «усилить» свою печь, чтобы повысить температуру нагрева, однако сделать это человеку без опыта будет сложно.
- Для проведения термической обработки необходимо использовать защитную среду (масло, щелочи, селитра). Но каждое вещество имеет свои температурные особенности. Простой пример: соединения на основе селитры могут взрываться при нагреве до высоких температур, что может быть опасно для жизни, здоровья домашнего металлурга.
- Выполнение отпуска без применения защитной среды может быть фатально для самого металла. Дело в том, что без использования защитной среды металл будет остывать быстро, что может повлиять на качестве стали (повышение хрупкости, образования изгибов, пластическая деформация, появление ржавчины).
- Также не стоит забывать о низкотемпературной хрупкости первого рода (от 250 до 300 градусов). В случае неправильного температурного режима из-за нее может серьезно пострадать качество металла вплоть до полного разрушения сплава.
Заключение
Подведем итоги. Отпуск стали — это технологическая процедура, которая заключается в нагреве металла до определенной температуры с последующим остыванием в защитной среде.
Эта обработка позволяет улучшить качество металла — повышение прочности, нормализация пластичности, улучшение физико-химических свойств материала. В зависимости от температуры различают несколько типов отпуска — высокий, средний, низкий.
Высокотемпературная обработка — оптимальна, поскольку она позволяет выполнить не только диффузию углерода, но и рекристаллизацию, полигонизации материала.
Низкотемпературная технология подходит для обработки простых деталей, низкокачественных сплавов. Инструментальные стальные сплавы (с большим содержанием углерода) не подходят для стандартного отпуска — вместо него рекомендуется делать многоступенчатую закалку. Во время обработки нужно избегать островков отпускной хрупкости, которые могут серьезно ухудшить свойства стали.
Используемая литература и источники:
- Техминимум отжигальщика на томильных и отжигательных печах / М.М. Эфрос. — М.: Главная редакция литературы по черной металлургии
- Основы технологии автоматизированных машиностроительных производств: моногр. / А.В. Скворцов, А.Г. Схиртладзе. — М.: Высшая школа, 2010
- Статья на Википедии
Что такое отпуск стали, виды и технология процесса
Отпуск стали является заключительной стадией термообработки и используется для снижения избыточной твердости, уменьшения хрупкости и устранения внутренних напряжений металла. Чаще всего его применяют к углеродистым сталям, подвергнутым закалке на мартенсит, т. е. нагретым немного выше 727 ºC и охлажденным с высокой скоростью в водной среде.
Обычно стальные изделия отпускают при температурах, которые в несколько раз ниже температуры закалки, сохраняя при этом мартенситовую структуру, обеспечивающую твердость металла. Такой термообработке в основном подвергают режущий инструмент и другие изделия из инструментальных сталей.
Однако, существуют виды отпуска с нагревом, близким к закалочному (на троостит и на перлит), после которых металл приобретает требуемую упругость и у него повышается ударная вязкость. Легирующие добавки замедляют процесс формирования необходимой структуры, поэтому детали из легированных сталей отпускаются при более высоких температурах.
Традиционная технология отпуска — это нагревание изделия до нормативного значения с охлаждением его на открытом воздухе, хотя некоторые виды стальных изделий отпускают в масляных или расплавных средах. Отпускать можно как все изделие, так и его часть. Например, у ножей подвергают отпуску только обушок и рукоятку, сохраняя при этом полную закалку лезвия.
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.
Низкий отпуск
Низкой отпуск производится в температурном диапазоне 120÷300 ºC. Выбор конкретного температурного режима зависит от марки металла и требуемого результата. Чаще всего таким способом снижают внутренние напряжения и несколько повышают вязкость инструментальных сталей, которым требуется повышенная твердость и стойкость к износу.
При 120÷150 ºC изменения твердости не происходит, а только снижаются остаточные напряжения. Для ее уменьшения изделие необходимо нагреть как минимум до 200 ºC и выдерживать в этих условиях не менее одного часа. В интервале от 200 ºC до 300 ºC начинается формирование мартенсита отпуска и происходит уменьшение твердости с одновременным увеличением вязкости стали.
В некоторых случаях в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение вязкости, которое называют отпускной хрупкостью. Последствия этого явления устраняются дополнительной термообработкой. Кроме инструментальных, низкий отпуск с нагреванием до 250 ºC применяется и для конструкционных сталей, поверхность которых была подвергнута термохимической обработке.
Средний отпуск
Средний отпуск предназначен для термообработки стальных изделий, которые должны сочетать в себе повышенную прочность и упругость с заданными параметрами вязкости. Как правило, таким способом отпускают рессорные и пружинные стали, работающие в режиме переменных динамических нагрузок.
Температурный диапазон в этом случае составляет от 300 ºC до 450 ºC, а твердость снижается до 45÷50 HRC против 60÷63 при низкотемпературном отпуске. После такой термообработки сталь приобретает трооститную структуру. Выдержка при нагреве при среднем отпуске может составлять до нескольких часов, а охлаждение проводится естественным путем на спокойном воздухе.
Высокий отпуск
Высокий отпуск проводится в температурном диапазоне, приближенном к критической точке: от 450 ºC до 650 ºC. После такой термообработки сталь становится пластичной, у нее повышается относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость.
Это связано с тем, что металл приобретает структуру сорбита отпуска и у него на 95 % снижаются внутренние напряжения. Таким способом отпускают изделия, работающие в условиях ударных нагрузок: валы, оси, шатуны, детали прессов и кузнечных молотов.
Если же сталь отпускать при 690 ºC, то в ее структуре будет превалировать зернистый перлит, а сама она будет иметь максимальную пластичность и минимальную прочность. У некоторых ванадиевых, хромовых и вольфрамовых сталей при отпускании с нагреванием до 560 ºC может происходить образование троостита, что ведет к повышению твердости (т. н. вторичная твердость).
Отпускная хрупкость
Практически для всех сталей действует стандартная зависимость: чем выше температура нагрева при отпуске, тем больше пластичность и вязкость отпущенного изделия. Однако у некоторых марок при повышении температуры наблюдается снижение этих физических характеристик и увеличение жесткости и хрупкости.
Это явление называется отпускной хрупкостью и имеет место при термообработке как углеродистых, так и легированных сталей. Она проявляется в двух температурных диапазонах: 250÷400 ºC и 500÷550 ºC и, соответственно, носит название отпускной хрупкости I и II рода (см. рис. ниже).
Первая характерна для углеродистых сталей, и избавиться от нее можно, снова нагрев деталь немного выше 400 ºC. Повторно она, как правило, не проявляется, но при этом у металла наблюдается некоторое снижение твердости. Отпускная хрупкость II рода может возникать у легированных сталей, которые после нагрева до указанного интервала подвергаются медленному охлаждению.
Для нейтрализации этой проблемы обычно повышают скорость охлаждения, при этом повторный нагрев изделия может снова вызвать возникновение такой хрупкости. Еще один способ, позволяющий избавиться от этого явления, — введение в состав сталей небольших количеств молибдена или вольфрама.
Для отпуска крупногабаритных деталей он предпочтительнее, т. к. большая скорость охлаждения может вызвать их деформацию и возникновение чрезмерных внутренних напряжений.
Как отпустить сталь самостоятельно
Для того чтобы отпустить сталь в домашних условиях с целью снятия внутреннего напряжения, ее марку знать необязательно — достаточно нагрева до температуры не выше 200 ºC и выдержки в этих условиях не менее часа. Если же планируется отпустить стальное изделие для снижения твердости и повышения вязкости, то для определения температурных режимов отпуска знание марки стали необходимо.
На самом деле это не такая сложная задача, как может показаться. В учебниках по термообработке и на интернет-сайтах достаточно таблиц с перечнями изделий и марками стали, из которых они изготавливаются, а часто даже и с температурными режимами их закалки и отпуска (см. таблицу выше).
Для нагрева своей детали можно использовать практически любой источник тепла: от духовки кухонной плиты до газовой горелки или самодельного горна. Важным моментом является температура разогрева. В принципе, ее можно определить по цветовым таблицам побежалости, появляющейся на горячем металле, которые также легко найти в интернете.
Это старинный проверенный метод, известный еще с древних времен, но он требует некоторого опыта, т. к. его главные недостатки — это субъективность восприятия цвета и его зависимость от внешнего освещения. Для новичка лучшим решением будет использование терморегулятора плиты или обычного мультиметра с термопарой.
Приходилось ли кому-нибудь использовать мультиметр с термопарой для замера температуры отпуска? Насколько точен этот прибор и как соответствуют его показания цвету побежалости? Если кто-нибудь имеет такой опыт, напишите, пожалуйста, ваше мнение в х.
Инструкция по закалке металла в домашних условиях — все способы
16.12.2014
В упрощенном виде процесс закаливания металла заключается в повышении температуры образца до больших значений, а потом его охлаждении. Но не все так просто. И это объясняется тем, что различные виды металлов отличаются своей структурой, и соответственно, специфическими свойствами. Поэтому для их закалки и применяются определенные методики (и температуры). О них, а также специфики проведения соответствующих операций мы и поговорим.
Прежде всего, стоит отметить, что термическая обработка (закалка) металлических изделий (или заготовок) производится в двух случаях.
Во-первых, при необходимости повысить прочность материала (в несколько раз). С этим в быту сталкиваются практически все. Например, для «усиления» режущих кромок кухонной утвари (ножи, топорики для рубки мяса) или инструмента (стамески, зубила и тому подобное).
Во-вторых, для придания металлу некоторой пластичности, что значительно облегчает дальнейшую работу с материалом («горячая» ковка). Об этом хорошо известно тем, кто занимается кузнечным делом. Рассмотрим все этапы технологии закаливания металлических изделий в домашних условиях.
Нагрев
Главное условие качественной закалки – его равномерность, без темных пятен на образце (синих или черных). Металл не должен нагреваться до «белого каления».
Признак оптимального разогрева – приобретение им ярко-малинового (красного) цвета. Источником тепла может быть что угодно – кузнечный горн, лампа паяльная, эл/плитка, газовая горелка, открытый огонь.
Его выбор зависит от той температуры, которой необходимо достичь для данного сорта стали.
Охлаждение
Существует несколько методик проведения данной технологической операции. Оно может быть как резким, так и постепенным, ступенчатым. Специфика определяется видом металла.
Струйная закалка
Используется, если необходимо подвергнуть обработке не весь образец, а отдельный участок поверхности. На него и направляется струя холодной воды.
С одним «охладителем»
Понятно, что предварительно устанавливается подходящая емкость (ведро, бочка, ванна). Как правило, применяется для заготовок из легированной или углеродистой стали.
С двумя
В качестве «охладителя» используются среды с разной способностью понижать температуру материала. Поэтому процесс является двухступенчатым, так при этом обеспечивается и «отпуск» металла. Например, сначала охлаждение производится в воде, а потом – в масле (например, машинном или минеральном), так как от высокой температуры оно может воспламениться.
Есть и другие способы, но они, как правило, используются мастерами, которые работают на профессиональном уровне и хорошо разбираются в металлах. Например, закалка изотермическая. Нет смысла на них останавливаться подробно, так как сначала придется объяснять, что такое стали мартенситные и аустенитные.
Режимы закалки и отпуска стали
В чем охлаждать?
Мы уже упомянули, что чаще всего это делается при помощи холодной воды и масла. Но это не единственно возможные «охладители». Дело в том, что при такой закалке некоторые сорта стали становятся хрупкими. Поэтому на практике используются и другие среды, способные интенсивно понижать температуру металла.
Например, жидкий сургуч. Он более подходит для работы с плоскими заготовками, которые после доведения их температуры до требуемого значения в него полностью погружаются, причем последовательно, несколько раз подряд, пока масса сургуча полностью не отвердеет.
Мастера в качестве «охладителей» используют и такие вещества, как щелочи, растворы с сильной концентрацией соли и ряд других, даже расплавленный свинец.
Как проверить качество закалки? Есть довольно простой способ – при помощи обыкновенного напильника.
- Если он при обработке заготовки буквально «отскакивает» от нее, то получилось «стекло». Такой металл является перекаленным и будет легко крошиться.
- А вот «прилипание» инструмента свидетельствует о том, что металл получился мягким («пластилин»), недостаточно закаленным, и прочность изготовленной из него детали вызывает большие сомнения.
Практические рекомендации
- Все металлические изделия, с которыми мы сталкиваемся на практике, по своему составу неоднородны. Существует несколько разновидностей стали, и не все их можно подвергать термическому воздействию. К примеру, малоуглеродистая не закаляется.
- Если в быту необходимо придать прочности столовому ножу или топору, то не обязательны особые познания в области металлургии. Но начинающему кузнецу стоит напомнить, что перед тем, как приступить к термической обработке заготовки, необходимо разобраться, какой это материал (сорт стали). В этом вам поможет соответствующая справочная таблица, в которой для каждого из них указаны и продолжительность термического воздействия, и температура, и оптимальная методика охлаждения.
Как отпустить металл в домашних условиях
В упрощенном виде процесс закаливания металла заключается в повышении температуры образца до больших значений, а потом его охлаждении. Но не все так просто. И это объясняется тем, что различные виды металлов отличаются своей структурой, и соответственно, специфическими свойствами.
Поэтому для их закалки и применяются определенные методики (и температуры). О них, а также специфики проведения соответствующих операций мы и поговорим. Прежде всего, стоит отметить, что термическая обработка (закалка) металлических изделий (или заготовок) производится в двух случаях.
Во-первых , при необходимости повысить прочность материала (в несколько раз). С этим в быту сталкиваются практически все. Например, для «усиления» режущих кромок кухонной утвари (ножи, топорики для рубки мяса) или инструмента (стамески, зубила и тому подобное).
Во-вторых , для придания металлу некоторой пластичности, что значительно облегчает дальнейшую работу с материалом («горячая» ковка). Об этом хорошо известно тем, кто занимается кузнечным делом. Рассмотрим все этапы технологии закаливания металлических изделий в домашних условиях.
Нагрев
Главное условие качественной закалки – его равномерность, без темных пятен на образце (синих или черных). Металл не должен нагреваться до «белого каления».
Признак оптимального разогрева – приобретение им ярко-малинового (красного) цвета. Источником тепла может быть что угодно – кузнечный горн, лампа паяльная, эл/плитка, газовая горелка, открытый огонь.
Его выбор зависит от той температуры, которой необходимо достичь для данного сорта стали.
Охлаждение
Существует несколько методик проведения данной технологической операции. Оно может быть как резким, так и постепенным, ступенчатым. Специфика определяется видом металла.
Пермаллой лента 0,05 х 30 х 1000 мм
Струйная закалка
Используется, если необходимо подвергнуть обработке не весь образец, а отдельный участок поверхности. На него и направляется струя холодной воды.
С одним «охладителем»
Понятно, что предварительно устанавливается подходящая емкость (ведро, бочка, ванна). Как правило, применяется для заготовок из легированной или углеродистой стали.
С двумя
В качестве «охладителя» используются среды с разной способностью понижать температуру материала. Поэтому процесс является двухступенчатым, так при этом обеспечивается и «отпуск» металла. Например, сначала охлаждение производится в воде, а потом – в масле (например, машинном или минеральном), так как от высокой температуры оно может воспламениться.
Есть и другие способы, но они, как правило, используются мастерами, которые работают на профессиональном уровне и хорошо разбираются в металлах. Например, закалка изотермическая. Нет смысла на них останавливаться подробно, так как сначала придется объяснять, что такое стали мартенситные и аустенитные.
Режимы закалки и отпуска стали
В чем охлаждать?
Мы уже упомянули, что чаще всего это делается при помощи холодной воды и масла. Но это не единственно возможные «охладители». Дело в том, что при такой закалке некоторые сорта стали становятся хрупкими. Поэтому на практике используются и другие среды, способные интенсивно понижать температуру металла.
Например, жидкий сургуч. Он более подходит для работы с плоскими заготовками, которые после доведения их температуры до требуемого значения в него полностью погружаются, причем последовательно, несколько раз подряд, пока масса сургуча полностью не отвердеет.
Мастера в качестве «охладителей» используют и такие вещества, как щелочи, растворы с сильной концентрацией соли и ряд других, даже расплавленный свинец.
Как проверить качество закалки? Есть довольно простой способ – при помощи обыкновенного напильника.
- Если он при обработке заготовки буквально «отскакивает» от нее, то получилось «стекло». Такой металл является перекаленным и будет легко крошиться.
- А вот «прилипание» инструмента свидетельствует о том, что металл получился мягким («пластилин»), недостаточно закаленным, и прочность изготовленной из него детали вызывает большие сомнения.
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.
Самые прочные материалы из всех, что существуют в мире
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.
Загрузка...
