Как закалить металл в домашних условиях: способы накалить железо, закалка и стали в масле

Введение в металловедение

В технологии термической обработки сталей предусматривается ряд способов теплового воздействия. В результате меняется размер зерна. От этого меняется твердость.

В составе стали имеются:

Феррит – это основная составляющая. Зерна металла под микроскопом легко увидеть. Они обычно на шлифах представлены в виде белого или светло-серого цвета.
Перлит – это эвтектоидное механическое соединение железа и углерода. Для этой составляющей отмечают высокую твердость и прочность.
Цементит – предельное соединение железа с углеродом Fe₃C. Одна чистый цементит довольно хрупкое вещество.
Графит – одна из форм углерода. В металлах он может быть представлен в виде шарообразных включений. Его присутствие отмечают в дамасских сталях, которые получают методом ковки.
Аустенит – одна из форм сплава. Она возникает при температуре 727 ⁰С и выше. Данная составляющая представляет псевдоожиженный металл. Для него характерна высокая пластичность, податливость. Появление аустенита при нагревании определяется по отсутствию магнитных свойств.

Принята классификация соединения – железо-цементит в следующих значениях:

0,0…2,18 % углерода – это стали;
2,14…6,67 % углерода – чугуны.

У сталей есть и еще различия:

0,0…0,8 – низкоуглеродистые стали;
0,8…2,14 – углеродистые стали.

Диаграмма Fe – Fe₃C. В зависимости от температуры и концентрации железа и углерода образуются разные виды соединений. Они определяют механические свойства металла:

Свойства стали после закалки

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

Внимание! Некоторые изделия закаляются частично, например, это может быть только режущая кромка инструмента или холодного оружия. В этом случае на поверхности изделия можно наблюдать четкую границу, разделяющую закаленную и незакаленную части

Закаленную часть на клинках называют «хамон», что в переводе на современный язык металлургии означает «мартенсит».

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

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

Изготовление камеры для закаливания металла

Основным материалом для изготовления корпусов домашних печей для закалки стали являются твердые огнеупоры в виде блоков различных размеров и шамотная глина. В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота. Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой

При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода. Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров

Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы. Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства. Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).

На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.

Подробное описание конструкции и рекомендации по созданию печи с верхней загрузкой, в которой можно закалить изделия длиной до 54 см, можно посмотреть в следующем видео. Здесь тепловой корпус печи изготовлен из шамотного кирпича (типа ШБ) и также используется терморегулятор. Кроме верхней загрузки, особенностью этого устройства является спираль из кантала, который служит во много раз дольше традиционного нихрома и фехраля.

4 Закалка и отпуск стали в домашних условиях – на все руки мастер!

Отпуск стали – обязательное мероприятие для снятия внутренних напряжений металла. В результате несколько ухудшается твердость, но повышается пластичность. Отпуск проводится как в печах, так и в масляных и щелочных ваннах. Суть отпуска – в постепенном уменьшении температурного режима и выдерживании детали в определенной температурной среде.

Для разных марок стали существуют свои температурные режимы. Например, быстрорежущая сталь отпускается при 540 °С, тогда как изделия с твердостью HRC 59–60 отпускаются всего при 150 °С. В первом случае твердость даже повышается, во втором незначительно понижается, но изделие приобретает существенную пластичность.

Изготовление камеры для закаливания металла

При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода

Проверка металла на наличие термообработки

Перед тем, как начать каление, нам необходимо убедиться, что материал приобретённого нами инструмента не термообработан. Делаем проверку с помощью обыкновенного паяльника. Нагреваем инструмент и проводим им по интересующей нас металлической поверхности. Если паяльник прилипает к металлу, то значит ни о какой его термообработке не может быть и речи. Плавное прохождение паяльника по поверхности стали или отскакивание от неё говорят о том, что проверяемый нами предмет либо хорошо термообработан либо обработан слишком сильно. При отсутствии термообработки делаем её самостоятельно.

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: Нарезка резьбы метчиком на трубе

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.

Выбор стали для закалки ножа

Как известно, сталь это есть не что иное, как сплав углерода с железом. В них добавляются в небольших дозах добавки. Большую роль на качество будущего клинка они не играют. Важнейшим элементом является углерод. Добавки могут быть такие, как цинк, хром, молибден, кальций и т.д.

А вот чем меньше углерода в стали, она приобретает высокую прочность, но изнашивается быстрее и коррозия развивается быстрее. Для правильной закалки нужно обязательно знать состав будущего клинка. Лучше всего провести углеродный анализ стали.

Идеальная закалка лезвия ножа.

Если будущее изделие будет, к примеру, из напильника или рессоры автомобиля. Закалка в данном случае просто необходима, тем более ковка такого металла подразумевает его обязательный нагрев. Проверить качество закалки, можно в домашних условиях, но он довольно «жестокий».

Нужно готовый клинок затянуть в тисках и начать постепенно гнуть его, и если излом клинка произойдет на отметке приблизительно в 45 градусов. Можно смело сказать – закалка была проведена верно. Но так следует сделать, после первой вашей самостоятельной закалки клинка, нужно хорошо запомнить весь процесс и повторить его заново.

Секреты закалки: источник тепла

Существует несколько вариантов приспособлений, способных довести нагрев стальной детали до желаемого температурного порога. Идеальный вариант – муфельная печь промышленного или самостоятельного изготовления.

При отсутствии подобного инструмента возможно использование еще одного домашнего помощника – паяльной лампы.

Достаточно мощная струя пламени позволяет легко прогреть детали небольшой толщины до требуемой температуры. Не забывайте перемещать горелку вдоль закаляемой пластины для достижения равномерного прогрева.

Кроме этого возможно использование обыкновенного древесного угля вкупе с паяльной лампой. Для этого выкопайте небольшое углубление в почве, засыпьте туда уголь, в который уложите на ребро закаляемые пластины ножей. Прогревайте лампой уголь вместе с пластинами до достижения последними требуемого нагрева. Подобный способ предохраняет быстрое остывание непрогреваемой части заготовки и ее перегрева.

Третий вариант – изготовление небольшого горна. Он может быть как угольным, так и газовым. Главные конструктивные элементы приспособления – корпус и источник нагнетаемого воздуха. Основу угольного горна можно изготовить из стального листа толщиной 10 мм с приваренным в нижней части обрезком трубы диаметром около 20 см и выводом от нее для подключения шланга от выходного отверстия бытового пылесоса.

В листе не забудьте просверлить несколько отверстий достаточного диаметра для подачи воздуха. В качестве топлива применяется древесный (мангальный) или каменный уголь.

Секреты закалки: температура нагрева

Один из самых важных моментов при самостоятельной закалке стали – достижение заготовкой оптимальной температуры нагрева. В производственных условиях эта величина контролируется специальными высокотемпературными термометрами. В быту же лучше использовать старинные, дедовские способы.

Первый из них – определение температуры по цвету накала заготовки. Замечено, что при нагревании металл изменяет свой цвет в зависимости от достижения той или иной температуры. Для закалки стали наиболее оптимален светло-вишневый или малиновый, что соответствует нагреву в 800-850 С.

Второй способ – изменение магнитный свойств. Еще одно свойство стали при нагреве – изменение ее магнитных свойств. Достаточно прислонить нагретую заготовку к сильному магниту и отсутствие «притяжения» между ними так же даст сигнал о достаточности нагрева заготовки.

Технология каления металла

Технология закалки сталей требует соблюдения ряда требований к процессам нагрева и охлаждения закаливаемых деталей. В первую очередь это относится к скорости разогрева и охлаждения металла. Экономические показатели термического процесса требуют максимально быстрого повышения температуры до номинальной, т. к. при этом расходуется меньше энергии. Однако скоростной нагрев приводит к большому перепаду температур между поверхностным слоем и сердцевиной изделия, что может привести к его деформации и возникновению трещин. Поэтому прогрев на всю глубину детали до полного ее разогрева должен проходить плавно, а его время определяется технологом-термистом с помощью эмпирических формул и табличных значений. От скорости и температурных параметров охлаждения стали, разогретой выше критической точки, напрямую зависит процесс формирования структуры и состава закаленного металла. К примеру, при быстром охлаждении в воде с комнатной температурой можно получить углеродистую сталь с мартенситной структурой, а при охлаждении в масле или горячей воде получается троостит. Каждой марке стали соответствуют свои характеристики и температурные режимы закалки, которые, помимо прочего, зависят от размера и формы детали. Поэтому на производстве термическая обработка деталей проводится в соответствии с маршрутной технологией и операционными картами, разрабатываемыми для каждого изделия.

Как закалить нержавейку? Техника безопасности

Чтобы работа с металлом не вредила здоровью человека, необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:

Следует регулярно проветривать помещение, в котором происходит процесс закаливания металла. Рекомендуется установить в комнате специальную вытяжку. Нельзя пускать в помещение, где проходит работа, детей и животных.
В процессе нужно использовать специальные перчатки. Как только инструменты начинают накаливаться, их опускают в воду до полного охлаждения.
При работе с огнем следует соблюдать пожарные нормы, не подходить к огню с легко воспламеняющимися жидкостями.
Если закаливание изделия происходит в масле, то контейнер плотно закрывается крышкой.
Работать нужно в специальной защитной одежде. Рукава и ноги должны быть закрытыми, так как существует риск ожога конечностей.

Итак, мы рассмотрели, как выполнить закалку нержавейки. Как видите, данную операцию можно осуществить своими руками в домашних условиях. Главное, не забывать о технике безопасности и точно следовать инструкции.

Закалочные среды [ править | править код ]

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Читать также: До скольки часов можно сверлить

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Сборка самодельного ножа

Выполнив все указанные выше операции и доведя сталь ножа до необходимой твердости, переходим к сборке. Подгоняем форму накладок к хвостовику ножа и вырезаем дополнительно две вставки из кожи.

Затем смазываем детали клеем, устанавливаем на клею латунные вставки и оставляем сушиться на несколько часов.

Крайнюю вставку лучше изготовить не из стержня, а из трубочки требуемого диаметра. Это поможет крепить готовое изделие при эксплуатации на кожаный ремешок, что предохранит его потерю в походах, на рыбалке или охоте.

После высыхания клея тщательно обработайте рукоятку и лезвие наждачной бумагой. Для защиты клинка от коррозии его достаточно хорошо отполировать после окончательной заточки и доводки.

Закалка и отпуск

Закалку производят путем нагревания до температуры выше получения аустенита. Для некоторых сталей рекомендуют некоторый перегрев, который необходим для получения псевдоожиженного состояния по всей массе металла.

Закалить можно углеродистые стали, в которых содержание углерода превышает 0,8 %. При меньшем значении закалка не получается. Быстрое охлаждение не формирует мелкое зерно металла.

Кристаллическая решетка стали до (а) и после (б) закалки. Получено путем исследования шлифов образцов стали

Закалку выполняют в воздухе, воде и масле. В основном проще выполнить закалку в масле, причины в следующем:

При погружении в масло на поверхности металла не образуются пузырьки кипящей жидкости, которые снижают скорость охлаждения.
Вокруг металлического предмета образуется циркулирующий поток жидкости, который активизирует процесс конвективной теплоотдачи.
Масло перед закалкой можно нагреть до температуры 250…350 ⁰С. Тогда осуществляется двухступенчатый процесс закаливания (в масле и воде, один за другим).

Внимание! В некоторых источниках можно прочитать, что закалку выполняют на газовой плите. Подобное могут написать только дилетанты, которые никогда не добивались реального результата. Температуру определяют с помощью пирометра излучения

Точность измерений до 1…3 ⁰С. Но стоимость подобного прибора довольно высока. Поэтому нагрев до того или иного значения определяют визуально. Для этого пользуются специальными таблицами. Ориентируясь на цвета можно попытаться самостоятельно закалить металл

Температуру определяют с помощью пирометра излучения. Точность измерений до 1…3 ⁰С. Но стоимость подобного прибора довольно высока. Поэтому нагрев до того или иного значения определяют визуально. Для этого пользуются специальными таблицами. Ориентируясь на цвета можно попытаться самостоятельно закалить металл.

Цветовая диаграмма нагрева стали:

Отпуск проводят с целью снятия внутренних напряжений в металле. Деталь нагревают до нужной температуры, а потом дают возможность медленно остывать на воздухе.

Различают несколько видов отпуска:

Низкий, применяют для металлорежущего инструмента.
Средний, используют для инструментов для обработки древесины.
Высокий, находит использование в машиностроении для зубчатых передач или шкивов клиноременных трансмиссий.

Для визуального определения температуры нагрева пользуются пирометром. Можно приблизительно установить температуру нагрева, сопоставляя вид заготовки при нагревании с базовой таблицей. Нагревая сталь, на поверхности наблюдают цвета побежалости, они имеют различный окрас.

Цвета побежалости при нагревании сталей:

Кроме углеродистых сталей термообработку выполняют для легированных сплавов. Наличие в составе металла дополнительных элементов улучшает прочностные характеристики.

В таблице показаны рекомендуемые режимы закалки и отпуска для разных видов сталей. Для ножа используют все виды представленных материалов.

Режим термообработки и твердость стали
Марки стали по ГОСТ	Температура нагревания металла, ⁰С	Среда для охлаждения	Твердость после закалки, HRC	Режим отпуска (⁰С) и получаемая твердость HRC
170…210	220…350	360…420	420…550
У7…У7Б	780…830	масло	58…62	59…63	57…60	52…54	48…53
У8…У8В	790…835	масло	60…64	60…65	58…60	51…55	47…50
У9…У9А	780…840	масло	56…63	58…62	54…59	49…53	48…53
У10…У10А	730…800	масло	58…62	57…64	57…64	48…53	49…52
У12…У12А	760…810	масло	59…64	60…65	58…60	49…52	49…52
40	740…820	масло	48…53	49…55	39…45	32…40	28…31
40Х	720…830	масло	50…54	52…57	48…50	44…49	29…32
35ХГСН	780…810	масло	45..52	45..52	35..42	45..52	38…40
5ХНМ	790…835	масло	45…50	46…52	40…48	46…52	36…40
5ХНВ	780…840	масло	48…52	48…52	44…47	40…48	38…40
65Г	730…810	вода/масло	59…64	59…64	55…57	51…54	46…48
ХВГ	760…820	вода/масло	54…59	56…60	48…50	42…47	33…36
ХВС	740…820	вода/масло	54…58	52…56	44…47	40…44	39…42
Х12М	720…830	вода/масло	50…57	48…53	55…57	53…55	36…38
9ХС	760…810	вода/масло	59…64	59…64	48…50	42…47	29…34
ШХ15, ШХ15СГ	760…820	масло	59…64	59…65	58…60	52…57	39…42
20Х	730…810	вода/масло	48…52	42…50	38…41	36…38	36…38
45	760…820	вода	41…49	34…37	32…35	30…34	29…32
14C28N	740…845	вода	50…57	45…49	41…44	39…42	32…34
8Cr13MoV	780…860	вода/масло	59…64	60…65	55…57	55…57	48…50
65Х13	760…855	вода/масло	48…52	49…55	48…50	44…48	38…40
95Х18	740…820	вода/масло	41…49	52…57	44…47	42…45	36…40

Еще немного истории

Некоторые кузнецы использовали для этих целей мочу барана, собранную в течение трех дней. А другие применяли для такого процесса мочу мальчика, и он должен был быть непременно рыжим. Вот на какие хитрости шли мастера прошлого.

Кстати, применение мочи, можно частично оправдать, так как присутствие в ней солей, сопутствовало быстрому забору тепла у раскаленного металла.

Были даже довольно варварские методы закалки, раскаленный клинок вонзали между ребер раба, и считалось, что его сила переходила в металлическую заготовку. Хорошо, что те времена миновали. Но люди постепенно замечали, что если после нагревания металла, его поместить в соленую среду, качество и характеристики его улучшались.

Шло время, и было проделано тысячи способов до достижения положительного результата. Молодой ученый металлург Д. К. Чернов, работавший над этой проблемой в 1866 году, достиг немалых успехов в определении для каждого металла определенных значений.

Завод, на котором проводил испытания господин Дмитрий Константинович Чернов, полностью избавился от брака и этого человека можно назвать прародителем современной металлургии. Сегодня любой студент, имея багаж знаний, накопленный веками, может справиться с закалкой стали.