Несложная технология правильного закаливания металла в домашних условиях

Как можно закалить металл в домашних условиях, наверное, знает каждый мастер, работающий со слесарным или столярным инструментом. Считается, что для этого достаточно разогреть изделие докрасна, а затем охладить его в емкости с водой

Однако в домашней мастерской этим способом можно получить только твердый и хрупкий металл, который вполне подходит для стамесок и ножей, но непригоден для молотков, кернеров или зубил. Режимы термообработки зависят от марки стали и требуемых параметров изделия после закалки, а к ним относятся не только твердость, но и прочность, износостойкость, пластичность и вязкость.

В домашних мастерских, как правило, отсутствуют измерительные приборы, с помощью которых можно узнать температуру детали. Поэтому для того, чтобы закалить деталь, границы нагрева и отпуска приходится распознавать по цвету металла или его побежалости.

Кроме того, перед тем как закалить какое-либо изделие, мастер должен определить (хотя бы приблизительно) марку стали или сплава, из которого оно изготовлено.

Со временем накапливаются и знания, и навыки, но начинающему термисту даже для того, чтобы в домашних условиях успешно закалить сверло, резец или какой-нибудь крепеж, сначала придется пополнить свой теоретический багаж, пообщаться с опытными специалистами и сделать несколько пробных закалок.

Способы бытовой закалки металла

Чтобы закалить изделие из металла в домашних условиях, в первую очередь следует определиться со способом его разогрева до необходимой температуры, а также подобрать емкости для охлаждающих жидкостей.

Кроме того, необходимо выбрать домашнее помещение или место во дворе, где можно заниматься закалкой с соблюдением всех требований техники безопасности. Для нагревания можно использовать источники с открытым пламенем. Но таким способом удастся разогреть и закалить только небольшие по объему детали.

К тому же открытое пламя вызывает окисление и обезуглероживание, которые негативно влияют на поверхностный слой металла. Температуру нагрева домашние мастера, как правило, определяют по цвету нагретой заготовки.

На рисунке ниже приведена цветовая таблица, без которой невозможно правильно закалить изделие из углеродистой стали. Для легированных сталей температурный диапазон обычно сдвинут в сторону увеличения на 20÷50 °C.

Для наддува в кузнечном горне обычно используют промышленный фен, а в качестве топлива подойдет древесный уголь, который продается в любом супермаркете. Небольшую закрытую печь легко изготовить из пары десятков шамотных кирпичей. При этом в зависимости от метода закалки металла в ней можно не только закалить, но и провести отпуск с прогревом всего объема изделия.

Проще всего с емкостями для охлаждения и зажимным инструментом. Для закалочной жидкости подойдет любой негорючий сосуд достаточного размера, а удерживать и перемещать деталь можно щипцами или крючьями с ручками подходящей длины. На видео ниже показано, как в домашних условиях можно закалить топор с использованием самодельного горна и двух емкостей с разными охлаждающими средами.

Закалка на открытом огне

Самый простой способ закалить небольшую деталь в домашних условиях — это нагреть ее на открытом пламени до нужной температуры, руководствуясь при этом цветовыми таблицами.
В качестве источника нагрева в таких случаях можно использовать газовую горелку, паяльную лампу или даже конфорку домашней газовой плиты. Главный недостаток такой закалки — это сложность равномерного прогрева изделия по всему объему, т. к. пламя создает высокую температуру на узком, ограниченном участке.

Этот способ подойдет, когда необходимо закалить торец удлиненного изделия, например режущую часть сверла или лезвие стамески, или же небольшую деталь размером в несколько сантиметров.

Еще одна проблема, с которой может столкнуться домашний мастер, решивший закалить углеродистую сталь открытым пламенем, — это сильное окисление и выгорание углерода в поверхностном слое железа, которые приводят к деградации его структуры.

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.

Кроме конструкционных, на металлургических предприятиях производят стали заданных свойств, в том числе и углеродистые сплавы. У них содержание углерода находится в пределах 0,8…2,14 %. При большем содержании второго компонента приходится иметь дело с чугунами. Это тоже черный металл, но свойства отличаются кардинально.

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.

Внимание! ХВГ – это одна из лучших сталей для изготовления ножей. Отличается нержавеющими свойствами. При закалке можно добиться высокого значения твердости. На инструментальных заводах из этого материала изготавливают фрезы, прошивки и протяжки.

Распространенные среды для самостоятельного каления

Для закалки сталей в домашних условиях обычно используют следующие охлаждающие среды: воздух, воду и водные растворы, минеральное масло. В качестве водных растворов обычно используют 10-15%-й хлористого натрия (поваренной соли), а минеральное масло в домашних мастерских — это чаще всего обычная моторная отработка.

Чтобы закалить отдельные части изделия с разной твердостью, используют закалку с последовательным охлаждением в двух средах. Каждая из этих закалочных сред характеризуется своей скоростью охлаждения, от которой напрямую зависит структура обрабатываемого металла.

К примеру, воздух охлаждает сталь со скоростью 5÷10 °C в секунду, масло — 140÷150 °C, а вода (в зависимости от температуры) — 700÷1400 °C.

Чтобы правильно и без проблем закалить свое изделие, необходимо знать марку металла, из которого оно изготовлено, т. к. от этого зависит как температура нагрева, так и способ охлаждения. Народные умельцы для своих изделий в качестве исходных материалов чаще всего используют б/у изделия из быстрорежущих и инструментальных сталей, которые можно закалить в домашней мастерской.

Ниже в таблице приведены рекомендуемые температурные режимы и среды охлаждения для различных сталей.

Закалка металла в масле

Масло довольно плохо проводит тепло, что способствует более медленному формированию структурных элементов стали. Поэтому, если ее закалить в масляной среде, она наравне с твердостью приобретет прочность и упругость.
На производстве для закалки обычно используют индустриальное масло И-20 или современные закалочные масла типа «Термойл», «Термо» или «Волтекс». В домашних мастерских народные умельцы пользуются тем, что имеется в наличии. Чаще всего это новое или отработанное моторное масло.

Чтобы безопасно закалить деталь в таком масле в домашних условиях, нужно помнить, что у него по сравнению с промышленными закалочными жидкостями гораздо более низкая температура вспышки, и при погружении в него раскаленного металла оно на короткий срок загорается с выделением едкого дыма.

Поэтому закалочная емкость, применяемая в домашней мастерской, должна иметь минимальную открытую поверхность и использоваться только на открытом воздухе или в проветриваемом помещении. Помимо обычных ведер и жестяных банок, одна из самых распространенных конструкций такой емкости, которой пользуются домашние мастера — это удлиненный отрезок трубы подходящего диаметра с приваренным днищем.

Суть закалки металлических изделий

Для того чтобы правильно закалять железо и другие металлы, следует рассмотреть суть этого процесса.

К особенностям этой разновидности термообработки можно отнести следующее:

• Закаливать — это значит, нагревать материал до температуры, которая может изменить структуру. У металлов структура представлена кристаллической решеткой.
• Процесс предусматривает также охлаждение материала, для чего может использоваться масло или вода.

Целью подобной термической обработки является увеличение твердости структуры стали или другого сплава.

С закалкой также связан процесс, получивший название отпуск. Он проводится для того, чтобы снизить хрупкость структуры после термической обработки. Отпуск проводится при более низкой температуре, а на охлаждение уходит намного больше времени. Важность этого процесса велика, иначе в структуре могут образовываться серьезные дефекты.

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.

Как самостоятельно провести отпуск

Отпуск стали проводят для снижения ее хрупкости и повышения пластичности, что происходит во время ее нагрева до невысокой (по сравнению с закалкой) температуры с последующим медленным охлаждением.
Для большинства сталей (углеродистых и низколегированных), которые можно закалить в домашней мастерской, отпуск проводится при температурах в интервале от 150 до 250 °C (см. таблицу выше). В отличие от закалки такой нагрев не требует специального оборудования, поэтому многие домашние мастера используют для этих целей духовки бытовых плит с терморегуляторами.

Определить температуру нагрева при отпуске можно по цвету побежалости — разноцветной оксидной пленки, возникающей на поверхности стали при нагреве (см. рис. ниже). Если закалить сталь «на мартенсит», т. е. с быстрым охлаждением в воде, то получится очень твердая, но хрупкая структура. Поэтому отпуск является обязательной процедурой при термической обработке режущего инструмента.

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:

Проверка качества закалки

Для того чтобы определить, удалось ли закалить изделие из стали до нужной твердости, у домашнего мастера не так уж и много способов. Традиционный — это попробовать поцарапать металл надфилем (не алмазным), который обычно имеет твердость 55÷60 HRC.
Если на поверхности остаются бороздки, то это значит, что закалить сталь до нужного значения не получилось и ее твердость ниже этой величины. Если же надфиль скользит по поверхности закаленного металла, то его твердость в норме.

Еще один способ проверки качества домашней закалки — это царапание закаленной сталью поверхности бутылочного стекла (см. фото ниже). Кроме твердости, в домашних условиях при наличии определенных навыков можно проверить и структуру металла. Для этого необходимо закалить несколько образцов одинаковой стали в разных режимах, а затем на глаз сравнить структуру и размер зерна.

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.

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.

При работе своими руками элемент стоит окунать в тару с жидкостью до того момента, как цвет лишится своей насыщенности и яркости.

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:

Очень часто возникает необходимость закалить сверла. Тонкие длинные элементы не рекомендуется опускать в воду плашмя, иначе нижний слой металла, охлаждаемый первым, сожмется.

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.

Особенности закалки алюминия

Необходимость закалить какое-либо изделие из алюминия в домашних условиях возникает достаточно редко, т. к. вся готовая продукция из литейных и деформируемых сплавов обычно проходят требуемую термообработку и в процессе эксплуатации практически не теряет своей твердости и жесткости.
Такая потребность у домашнего мастера может возникнуть после сварки между собой деталей из алюминиевых сплавов, т. к. в этом случае они очень часто теряют жесткость в области, прилегающей к сварному шву. Но в домашних условиях закалить алюминий очень сложно, т. к. для этого нужно точно знать тип сплава и выдерживать термические параметры с точностью как минимум ±5 °C.

Охлаждение тоже требует определенных навыков, т. к. при неточном соблюдении технологии изделие может повести. Если же все-таки хочется освоить этот вид термообработки для использования в домашних условиях, то в первую очередь необходимо обзавестись печью с точным терморегулятором, а также быть готовым к тому, что каждый раз придется закаливать поочередно несколько образцов для подбора нужных параметров термического процесса.

Методика закалки

Проще говоря, технология закаливания представляет собой два действия – нагревание образца до высокой температуры и его охлаждение.

Только не стоит предполагать, что все элементарно, ведь группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка металла своими руками оправдана, если:

существует острая потребность упрочнить материал, например, «усилить» режущие края кухонной утвари или инструментов, вроде стамески или зубила;

нужно повысить пластичность предмета, что делает проще работу с металлом, например, процесс горячей ковки.

Цена профессиональной закалки 1 кг составляет 100-200 рублей. А закалка мелких деталей обойдется дешевле. Цена на эту услугу колеблется от 6 до 20 рублей.

Если закаливать оборудование в домашних условиях, то важно знать некоторые тонкости этого процесса.

Нагрев требует равномерности, он должен проходить без появления на предмете черных или синих пятен. Ни в коем случае нельзя нагревать образец до крайнего показателя.

То, что изделие разогревается правильно, подскажет окрашивание его в яркий красный цвет.

Читать также: Как измельчить зерно в домашних условиях

Для закалки металлического предмета типа сверла подходит такое оборудование, как электропечь или термо печь, а также паяльная лампа и большой костер.

Что более подходит – печь, электропечь или открытый огонь, зависит от того, какой температуры требует обрабатываемый вид металла.

Когда нужно закалить не всю поверхность металлического предмета, а лишь определенное место, применяется струйная закалка. Она предполагает, что струя холодной воды направляется на объект точечно.

Методика охлаждения сверла, отвертки, зубила или обжимки может быть разной. Ее можно осуществить в несколько ступеней, можно разово и резко или постепенно. Все зависит от вида металла.

Если планируется проводить операцию с одним охладителем, то подготавливается специальное оборудование, вроде ведра или бочки. Для этого подойдет даже ванна.

Этот способ охлаждения идеален для изделий, сделанных из стали углеродистой или легированной.

Когда для понижения температуры предмета из металла нужна двухступенчатая схема охлаждения, применяют две разные среды. Это процедура обеспечивает и отпуск металла.

Так, вначале сверла или дисковые детали охлаждают водой, затем – маслом, которое может быть машинным или минеральным.

Охлаждение с помощью масла осуществляется во вторую очередь, так как есть риск его воспламенения из-за высокой температуры.

Температурные режимы и другие показатели закалки отражает приведенная ниже таблица.

Особенности закалки меди

Технологии термообработки стали и меди имеют принципиальные отличия. Нагрев меди до красного каления (свыше 600 °C) и быстрое охлаждение в воде приводит к ее отпусканию (т. е. она становится мягкой).

Закалить медь в домашних условиях сложнее, чем отпустить, т. к. для этого ее нужно нагреть всего до 400 °C, при которых она не имеет свечения. После нагрева до указанной температуры медное изделие медленно остужается на воздухе, после чего оно приобретает твердость, как после нагартовки.

Если все-таки есть насущная потребность закалить какое-то количество медных деталей в условиях домашней мастерской, придется обзавестись пирометром для контроля температуры нагрева.

Мы описали два способа проверки качества закалки в домашних условиях. А какие знаете вы? Поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к этой статье.

Как закалить металл в домашних условиях

Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.

Закалка топора на костре и в печи

Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.

На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.

Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:

1. Отжиг. Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.

А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.

Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.

2. Закалка стали. Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).

Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.

Далее топор поместить в емкость с маслом, в случае возгорания масла нужно накрыть емкость плотной тканью. Выдерживать в масле нужно до полного остывания.

3. Отпуск лезвия топора. Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.

Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.

Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.