Термическая обработка (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 изделия нагревают до высокой температуры, а затем быстро охлаждают в специальных охлаждающих средах. В зависимости от режима закалки одна и та же сталь получает различ-ные структуры и свойства. Для получения наилучших результатов изделие равномерно нагревают до температуры 740-850°С и затем быстро охлаждают до 400-450°С. Скорость охлаждения долж-на быть не менее 150°С в секунду, т. е. охлаждение должно произойти в течение всего 2-3 с. Дальнейшее охлаждение, ниже 300°С, может протекать при любой скорости, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения на нее не оказы-вает влияния. В качестве охлаждающих сред чаще всего употребляются вода и трансформатор-ное масло. Скорость охлаждения в воде больше, чем в масле. При температуре воды 18°С скорость охлаждения достигает 600°С в секунду, а в масле — до 150°С в секунду.

Для придания изделию большей твердости закалку производят в проточной воде. При охлаждении горячей поковки в стоячей воде между водой и поковкой возникает слой пара, который изолирует нагретую поковку от охлаждающей среды. Поэтому 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, а это приво-дит к нежелательным последствиям: короблению, деформации и появлению трещин. К этому же приводит и быстрое охлаждение.

При закалке инструментов применяются 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 жидких средах идет в два раза быстрее, чем в воздушной среде, а в расплавленном металле-в четыре раза быстрее. Например, для закалки мелких стальных изделий используют расплавлен-ный 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 применяются следующие режимы

1. Изделия загружают в холодную печь. Нагревают постепенно, вместе с печью. Время нагрева продолжительное, но температурное напряжение, возникающее в изделиях, наименьшее.
2. Изделия загружают в печь, нагретую до заданной температуры, и прогревают при этой температуре. Время нагрева здесь меньше, но температурные напряжения больше чем при предыдущем режиме.
3. Изделия загружают в печь, температура которой выше необходимой для закалки, в процессе нагрева температуру снижают до заданной. В этом случае скорость нагрева высокая, но и напря-жение, возникающее в изделиях, очень велико.
4. Изделия загружают в печь, температуру которой непрерывно поддерживают выше необходи-мой. 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.

акаливаемую 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 напряже-ние, вызванное закалкой. Для определения температуры отпуска очень часто до сих пор пользу-ются 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.

Цвета побежалости одинаково появляются как на сырой, так и на закаленной стали. При отпуске закаленных инструментов применяют два способа.

1. Поверхность закаленного инструмента хорошо отшлифовывают мелкой шкуркой и затем на-гревают. 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, например чеканов, штихилей, резцов, молотков и т. д., тре-буется, 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 часть (шкуркой или трением о землю). Теплота, оставшаяся в неохлажденной части, поднимает температуру охлаж-денного конца, и после появления на нем нужного цвета побежалости инструмент окончательно охлаждают.

При закалке инструмента с двумя концами, например кирки, молотка и т. д., трудность заключается в том, что в изделии только два рабочих конца должны быть закалены, а середина должна быть 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 конца только рабочей части нужно внима-тельно 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 цвета-ми побежалости первого конца; когда появляется нужный цвет, снова опускают первый конец в воду, второй быстро зачищают и следят за цветами на втором конце. При появлении нужного цве-та 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 этом случае нагревают вместе с клещами. Прием с клещами применяется при местном отпуске, когда в каком-то участке стального закаленного изделия нужно сделать отвер-стие, а его, твердость не позволяет это сделать. Для этого берут клещи нужного размера, нагре-вают 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 отпус-ке тонких стальных изделий кос, пил и т. д.

В процессе нагрева стальных изделий происходит их окисление и обезуглероживание. Получение на поверхности окалины идет за счет образования оксидов железа.
Образование на поверхности окалины приводит к угару металла, искажению геометрической фор-мы изделий, уменьшению теплопроводности, что понижает скорость нагрева изделия. Кроме того, повышается твердость и затрудняется механическая обработка. Окалина удаляется с изделий ли-бо механическим, либо химическим путем (травлением).

Обезуглероживание состоит в выгорании углерода с поверхности изделия.

Обезуглероженный слой обладает пониженной твердостью и прочностью.
Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглероживание, зависит от состава печной атмосферы и температуры нагрева. Чем выше нагрев, тем процессы идут быстрее.

В наше время больших научных и технических достижений древнее ремесло кузнеца не исчезло. Изделия современных кузнецов находят применение в нашем быту. Творения, созданные руками художников-кузнецов, гармонично сочетаются с фасадами и внутренней архитектурой зданий, яв-ляясь одновременно самостоятельным художественным произведением. Ажурный орнамент кова-ных решеток красиво сочетается со стройными линиями современной архитектуры. Умелое ис-пользование новых видов обработки металла электросварки, газовой, автогенной и т. д. дают художникам-кузнецам более широкие возможности использования и применения своего ремесла.

Старые технологические приемы оживают вновь при восстановлении разрушенных памятников культуры. Кузнечное дело, как и всякая рукодельная работа, является средством пропаганды эсте-тической мысли и чувств и не теряет своего значения в период высокоразвитой промышленности.

В заключение следует отметить, что для успешной работы в области художественной обработки металлов, прежде всего необходимо овладеть простейшими слесарными операциями, т. е. уметь работать зубилом, молотком, напильником, сверлом, шабером и др.

Навыки по выполнению этих слесарных работ необходимы мастерам и художникам прикладного искусства, так как они постоянно применяются при первоначальной обработке деталей, их сборке и монтировке в целые готовые изделия.
Например, кованые художественные изделия: решетки, кронштейны, ограды, каминные принад-лежности и др., выполненные из отдельных частей, собирают также и на резьбовых соединениях.