Какими способами можно в домашних условиях закалить сталь?

Многие инструменты, с которыми приходится работать в мастерской, должны иметь определенную прочность. Домашние мастера задаются вопросом: «Как закалить сталь в домашних условиях?» От твердости режущей кромки часто зависит качество изделия. Конечно, многим известно, что для закалки требуется нагреть предмет, а потом резко охладить. При этом можно услышать, как кто-то добился подобным способом необыкновенной твердости и прочности какой-либо детали.

Закалка в воде:

Попытка самостоятельно закалить изделие на огне газовой плиты или ином источнике тепла оказываются безрезультатными. Разогретая до красного свечения заготовка при резком охлаждении повышает прочность незначительно, а иногда происходит и обратное явление – твердость снижается.

Введение в технологию металлов

Сталь, с которой приходится сталкиваться чаще всего, представляет сплав железа с углеродом.

Наибольшее распространение получили конструкционные стали обыкновенного качества. В них содержится незначительное количество углерода (менее 0,8 %), поэтому любые попытки закалить изделия из подобного материала обречены на неудачу. Небольшое количество углерода не образует зерна цементита (карбида железа, Fe₃C). Именно этот ингредиент отвечает за получение твердости закаленной стали.

Проверка получения аустенита при нагревании с помощью магнита:

При выпуске изделий из металла пользуются пластичными материалами. Из них методом прессования добиваются получения специальных оригинальных форм. Например, детали корпуса автомобилей штампуются в холодном состоянии на специальных штампах. Этот инструмент состоит из матрицы и пуансона. Листовая заготовка проходит обжатие между составляющими (матрицей и пуансоном), получают конечную форму.

Для инструмента нужна твердость, поэтому при изготовлении выбирают материал, который можно закалить, чтобы в дальнейшем не происходило его деформации в процессе использования для штампования деталей.

Закаленные изделия из качественных легированных сталей:

Кроме углеродистых сталей, на практике используют сплавы с марганцем, хромом, молибденом, титаном и другими элементами. Наличие их в составе в определенном количестве характеризуется определенной маркой.  Компоненты, улучшающие свойства сплава называют легирующими. Они заметно изменяют свойства:

1. Повышают поверхностную прочность.
2. Увеличивают твердость деталей на стадии заготовок.
3. Могут закаляться при закаливании.
4. Не ржавеют при нахождении в агрессивной среде.

Для маркировки легированных сталей используется свой метод, в нем определенные металлы сплава обозначены своими буквами. Цифры после букв указывают на содержание определенного компонента в десятых долях процента. Если имеет только буква, а за ней не следуют никакие цифры, значит, ингредиент может достигать до 1 % в составе сплава. Например, ХВГ характеризуется наличием в ней:

• около 1 % углерода;
• 0,8…1,2 % хрома (Х), этот компонент придает нержавеющие свойства;
• 0,9…1,1 % вольфрама (В), этот ингредиент увеличивает твердость и позволяет закалять изделия;
• 0,8…1,4 % марганца (Г, так договорились металлурги). Mn в составе стали придает пружинные свойства.

Металлы и сплавы для закалки

Из всей совокупности материалов, выпускаемых на металлургических предприятиях закалить можно только определенные сплавы. Они показаны в таблице.

Таблица «Металлы, подлежащие закалке»:

Технология закаливания

Муфельная печь для разогрева деталей:

Чтобы понять, как правильно закалить сталь, нужно рассмотреть процесс. Он заключается в следующем:

1. Заготовку разогревают до температуры 750…770 ⁰С. В этом состоянии она перестает магнититься. Металлурги называют этот режим аустенитным. Возникает высокая пластичность. Зерна металла становятся крупными, между ними разрушается связь.
2. Чтобы произошел прогрев всей детали, требуется время. У сталей есть особенность, нагретым может быть только поверхностный слой, всего несколько долей миллиметра. Ниже этого слоя температура может быть на 30…50 ⁰С ниже. Если не прогревать металл по толщине, то произойдет только поверхностное закаливание. При проверке на приборе Роквелла происходит прокол закаленного слоя, твердость не гарантируется.
3. Разогретый металл закаливается в воде или в масле. Выбор среды для закаливания объясняется тем, что при закалке в воде вокруг металла образуется водяной пар. Он снижает скорость охлаждения в несколько раз. Пар может иметь температуру до 200…250 ⁰С, поэтому настоящего закаливания нет. При закаливании в масляной среде (у него температура кипения составляет 350…380 ⁰С) скорость охлаждения в несколько раз выше. Опытные мастера производят не разовое опускание предмета в масло, а выполняют несколько последовательных подъемов и опусканий вверх-вниз. Эти достигается взаимодействие металла с новыми порциями масла, скорость охлаждения возрастает.
4. При закаливании крупное зерно, полученное при разогреве до аустенита, превращается мелкое (уменьшается размер в тысячи раз). Именно резкое уменьшение зерновой структуры способствует повышению поверхностной твердости.
5. При закаливании внутри металла возникают внутренние напряжения. Иногда можно наблюдать, как тонкие детали при небольшом нагружении лопаются. Необходимо устранить их кратковременным нагревом до температуры отпуска.
6. На практике подразделяют отпуск в нескольких режимах. Самым распространенным является низкий отпуск, который протекает при температуре 200…220 ⁰С. В быту его можно выполнить в духовке обычной газовой плиты. Ее разогревают до заданной температуры, кладут детали, которые нужно частично отпустить. Потом дают остыть металлу вместе со всей плитой (примерно 1…2 часа).
7. Детали с низким отпуском служат в несколько раз дольше, чем закаленные, но без последующего отпуска.

Закалка в масле:

Закалка с помощью бытовых приборов

Для закаливания некоторые мастера пытаются использовать обычную газовую плиту. Диаметр горелки мощностью 2,5 кВт составляет 130 мм. При горении прогревается круг с внутренним диаметром 85…90 и с внешним 130…170 мм. Греется только кольцо. Нагреть металл можно до температуры 800 ⁰С.

Разогрев на газовой горелке:

Чтобы равномерно прогревать деталь, нужно устанавливать ограничения. Изготавливают металлический квадратный контур, внутри которого можно выровнять температуру. Контур желательно теплоизолировать, чтобы ограничить теплообмен с окружающей средой.

Для закаливания используют емкости, в которых используют отработанное минеральное масло.

С помощью паяльной лампы можно получить температуру 850…1000 ⁰С. При такой температуре проще прогреть подходящую деталь до нужной температуры. Чтобы ограничить тепловые потери, помещают в толстостенную трубу. Туда же направляют и поток продуктов сгорания горючего.

Разогрев паяльной лампой:

Разогрев заготовки в горне на углях:

Видео: закалка стали в домашних условиях.

Заключение

• Закалка – это способ термической обработки металла, способствующий повышению твердости и прочности деталей.
• Оптимальная температура нагрева перед закаливанием составляет 750…770 ⁰С. Необходимо прогреть всё тело детали, поэтому необходима выдержка в течение 20…30 минут.
• Закалка в масле позволяет получать высокую скорость охлаждения. На поверхности изделия не образуется водяной пар.
• Для оптимального прогрева используют муфельные печи или горны. При использовании бытовых приборов трудно соблюсти равномерность нагревания деталей.