(закалка и отпуск)
Назначение закалки заключается в том, чтобы придать изделию высокую твердость и прочность. Однако при закалке с повышением твердости сталь становится более хрупкой. Для закалки металл нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают в специальной охлаждающей среде. В зависимости от режима закалки одна и та же сталь приобретает различные структуры и свойства. Для получения наилучших результатов металл равномерно нагревают до температуры 740-850ºС и затем быстро охлаждают до 400-450ºС. Скорость охлаждения составляет не менее 150ºС в секунду, т.е. охлаждение должно произойти в течение всего 2-3 секунд. Последующее охлаждение (ниже 300ºС) может протекать при любой скорости, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения не оказывает на нее влияния. В качестве охлаждающей среды чаще всего употребляют воду и трансформаторное масло. Скорость охлаждения в воде выше, чем в масле. При температуре воды 18ºС скорость охлаждения достигает 600ºС в секунду, а в масле — до 150°С. Для придания изделию большей твердости закалку металла производят в проточной воде. При охлаждении горячей поковки в стоячей воде между водой и поковкой возникает слой пара, изолирующий нагретую поковку от охлаждающей среды. Во избежание этого пользуются проточной водой. Иногда для повышения закаливающей способности в воду добавляют поваренную соль (до 10%) или серную кислоту (до 10-12%). Нагрев изделия выше критической точки придает металлу крупнозернистое строение, что приводит к нежелательным последствиям: короблению, деформации и появлению трещин. К тому же приводит и быстрое охлаждение. При закалке инструментов применяют закалочные печи, которые делятся на камерные, или пламенные, где изделие нагревается открытым пламенем; электрические муфельные; печи-ванны, представляющие собой тигли, наполненные расплавами солей, например хлористым барием. Нагревание в ваннах наиболее удобно вследствие того, что температура ванны всегда постоянная и закаливаемый инструмент не может нагреться выше этой температуры. Кроме того, нагрев в жидкой среде идет в два раза быстрее, чем в воздушной, а в расплавленном металле— в четыре раза быстрее. Например, для закалки мелких стальных изделий используют расплавленный свинец. Мелкие заготовки погружают в ванны и сверху кладут древесный уголь, который при горении на поверхности свинца создает восстановительное пламя — свинец не окисляется. Чтобы свинец не оседал на стальных изделиях, их смазывают мучным клейстером с поваренной солью.
При нагревании инструмента в муфелях применяют следующие режимы
1. Изделия загружают в холодную печь и постепенно вместе с печью нагревают. Время нагрева продолжительное, но температурное напряжение, возникающее в изделиях, наименьшее.
2. Изделия загружают в печь, нагретую до заданной температуры, и прогревают. Время нагрева в данном случае меньше, но температурное напряжение больше, чем при предыдущем режиме.
3. Изделия загружают в печь, температура которой выше необходимой для закалки, в процессе нагрева температуру снижают до заданной. Скорость нагрева высокая, но и напряжение, возникающее в изделиях, очень велико.
4. Изделия загружают в печь, а температуру непрерывно поддерживают выше необходимой. Изделия нагревают до заданной температуры, но ниже температуры печи. Это наиболее форсированный режим, напряжение достигает максимальных величин. В последнее время для нагрева под закалку применяют токи высокой частоты. Закаливаемую деталь помещают в специальный индуктор, по которому пропускают ток высокой частоты, и деталь очень быстро нагревается до необходимой температуры. После закалки необходимо произвести отпуск. Он смягчает действия закалки, повышает вязкость и уменьшает хрупкость и твердость изделия. Кроме того, отпуск устраняет или снижает напряжение, вызванное закалкой. Для определения температуры отпуска до сих пор очень часто пользуются цветами побежалости. Если очищенное от окалины стальное изделие нагревать, то, начиная с температуры 220°С на нем образуется тонкая пленка оксидов железа, придающая изделию различные цвета — от светло-желтого до серого. С повышением температуры или увеличением времени пребывания изделия при данной температуре оксидная пленка утолщается и цвет ее изменяется.
При отпуске закаленных инструментов применяют два способа
1. Поверхность закаленного инструмента хорошо отшлифовывают мелкой шкуркой и затем нагревают. По мере того как температура нагрева повышается, на чистой поверхности инструмента появляются цвета побежалости. Когда появится нужный цвет и, следовательно, изделие будет нагрето до определенной температуры, его быстро охлаждают в воде. За цветами нужно следить внимательно, некоторые из них, как, например, светло-красный, сменяются быстро.
2. При закалке многих инструментов — чеканов, штихелей, резцов, молотков и др., требуется, чтобы закаленной была только рабочая часть, а сам инструмент оставался незакаленным, сырым. В этом случае инструмент нагревают немного выше режущего (рабочего) конца до требуемой температуры, после чего охлаждают в воде только рабочую часть, а место выше рабочей части остается горячим. Быстро вынув инструмент из воды, зачищают рабочую часто (шкуркой или трением о землю). Теплота, оставшаяся в неохлажденной части, поднимает температуру охлажденного конца, и после появления на нем нужного цвета побежалости инструмент охлаждают окончательно.
При закалке металла
При закалке инструмента с двумя концами, например, кирки, молотка и др., трудность заключается в том, что в изделии должны быть закалены только два рабочих конца, а середина должна оставаться незакаленной. Закалку производят за один нагрев. Изделие равномерно нагревают до нужной температуры, и в воду опускают в первую очередь конец, имеющий меньшую массу, т.е. тот, который может быстрее охладиться. При охлаждении в воде только конца рабочей части нужно внимательно следить за нагретым вторым концом, чтобы он не охладился. Быстро вынув первый конец и зачистив его шкуркой, второй (только рабочую часть) погружают в воду. При этом следят за цветами побежалости первого конца; как только появляется нужный цвет, снова опускают первый конец в воду, второй быстро зачищают и следят за цветами на втором конце. При появлении нужного цвета также замачивают в воде. Так, периодически меняя положение концов, изделие остужают. Запас температуры должен оставаться в средней части инструмента, поэтому при закалке пользуются клещами с узкими губками. Большие плоскости холодных губок клещей отбирают теплоту в зоне прикосновения. Для закалки более мелких изделий можно использовать клещи с массивными губками, изделие в таком случае нагревают вместе с клещами. Клещи применяют при местном отпуске, когда в каком-то участке стального закаленного изделия нужно сделать отверстие, а его твердость не позволяет этого. Тогда берут клещи нужного размера, нагревают их до красного или светло-красного каления и захватывают металл в зоне будущего отверстия.
За отпуском металла можно следить по цветам побежалости
Этот прием используется при отпуске тонких стальных изделий – кос, пил и т.д. В процессе нагрева стальных изделий происходит их окисление и обезуглероживание. Образование на поверхности окалины происходит за счет образования оксидов железа и приводит к угару металла, искажению геометрической формы изделий, уменьшению теплопроводности, что понижает скорость нагрева изделия. Кроме того, повышается твердость и затрудняется механическая обработка. Окалину с изделий удаляют либо механическим, либо химическим путем (травлением). Обезуглероживание состоит в выгорании углерода с поверхности изделия. Обезуглероженный слой обладает пониженной твёрдостью и прочностью. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглероживание, зависит от состава печной атмосферы и температуры нагрева. Чем выше нагрев, тем быстрее идут процессы. Чтобы избежать образования окалины, мелкие изделия (чеканы, стамески и т.п.) помещают в отрезок трубы и вместе с ней закладывают в горн. Иногда при закалке применяют пасту следующего состава (г): жидкое стекло – 100, огнеупорная глина – 75, графит – 25, бура – 14, карборунд – 30, вода – 200. Пасту наносят на изделие и дают просохнуть, затем изделие нагревают обычным способом. После закалки изделие промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах из быстрорежущих сталей иногда их покрывают бурой.
Для этого инструмент, нагретый до 850ºС, погружают в насыщенный раствор или порошок буры. По музейным экспонатам и архивным документам в домашних условиях можно выковать мечи, сплести настоящие кольчуги, смастерить щиты и выделать ароматные кожи. Например, раскопки позволили нам увидеть оружие военного Синая: малый меч, имеющий 40 см в длину, сделанный для фараона в период его детства, и более тяжелый и длинный — 59 см. У обоих мечей клинок, эфес и рукоять представляют собой единый кусок металла. Большой меч был рассчитан на дробящий, а не режущий удар: внешняя, выгнутая сторона его клинка выражена слабо. Тем не менее большой меч должен был наносить страшные раны, т.к. из-за массивного клинка, доходящего в толщину до 0,7 см, он имел значительный вес.