«Моржи» из Волжского района
Каждые выходные окунаются в источник «Зеленый ключ» на Кленовой горе в Марий Эл!
Как вам такой отдых?
О закалке стали 6
Решил немного отдохнуть от закалки и написать об упомянутой в прошлой статье дульке, но исписав пару станиц, понял, что это надолго…. Да, вот об этой маленькой выемке на клинке как-нибудь придется написать много и с картинками. А чтобы вопросы не возникали дам ей свое определение. А то напишут тут в коммах, что она владельцам ножей для облегчения заточки служит…
Дулька – небольшая выемка на лезвии клинка у рикассо. Абсолютно ненужный пользователю элемент. Рудимент предыдущей технологической эпохи. След старых уходящих в прошлое технологий.
Поэтому продолжим моделировать фантазийную сталь. (Посмотрите прошлую статью по этой теме). Начнем сыпать в наше варево с углеродом легирующие добавки – специи и пряности. Каждая добавка придает супу особый вкус – перец, шафран, укроп, гвоздика и т.п. Каждая легирующая добавка тоже влияет на «вкус» стали – ее свойства. Не будем разбираться подробно, это тема сложная да нам и не нужная – мы говорим о принципах закалки разных марок сталей, а не об их моделировании.
Самая дешевая и самая распространенная добавка в стальной суп – хром.
Хром, помимо изменения некоторых свойств стали, очень склонен к образованию комков в смеси – карбидов в стали. Эти карбиды довольно тугоплавки. При этом они связывают наш углерод, и чтобы его хватило для образования равномерной смеси (чтобы после закалки получить хорошую твердость) нужно включить бетономешалку-температуру на уже большую мощность, чем в просто углеродистой стали. Поэтому легированные стали будут закаливаться уже от больших температур, лежащих в области линии равной 850 градусов. То есть, добавив в сталь хром (или другой карбидообразующий элемент) нам нужно повысить температуру под закалку, чтобы эти карбиды растворить.
Чем больше хрома – тем больше карбидов – тем больше времени их нужно растворять, но проще, конечно, повысить температуру. С этим все просто и понятно: добавили специи в раствор – получили комки, которые нужно разбить. Так как бетономешалкой у нас работает диффузия, зависящая от температуры, то просто ее немного поднимаем.
Играя с добавками углерода и хрома (и других специй) в разных пропорциях, получим разные марки легированных сталей.
И вот тут возникает логичный вопрос: как определить подручными средствами, какая сталь легированная, а какая нет? Можно по искре, как углеродку, но это уже гораздо сложнее – нужно иметь некоторое количество маркеров и определенный опыт. А можно с помощью магнита. Предвижу возгласы – магнит это несерьезно. Наоборот - очень даже серьезный и научный метод определения остаточного аустенита (горячего раствора в холодном состоянии – вот такой оксюморон) в стали.
Небольшая цитата из учебника. "О степени превращения перлита в аустенит можно судить еще более просто: по изменению магнитных свойств образцов в процессе превращения. Дело в том, что перлит магнитен, а аустенит немагнитен. По мере протекания превращения значения магнитных свойств станут постепенно уменьшаться, пока не достигнут при завершении превращения нулевого значения". Работает это правило и в обратную сторону.
Как вы помните, железо в стали при нагреве выше 768 градусов теряет магнитные свойства. Аустенит тоже немагнитен и по идее после охлаждения нагретой стали до 768 градусов она должна снова магнититься. Так и происходит в углеродистых сталях, однако, с легированными сталями все немного не так.
Если при нагреве при 768 градусах они магнитные свойства потеряют, то при охлаждении на воздухе магнитные свойства восстановятся при гораздо более низкой температуре. По этому признаку мы можем в какой-то мере определить даже степень легированности – чем дольше восстанавливаются магнитные свойства, тем больше в стали легирующих.
На практике это выглядит следующим образом. Нагрели сталь до желтого и после остывания до красного цвета пробуем ее «на магнит». Цвет каления при 768 градусов вы уже помните – цвет спелой вишни – и если сталь уже остыла «до черного», а на магнит не реагирует, значит в ней присутствуют легирующие элементы.
Почему так происходит? Помните наш мультяшный автобус и народ который нужно в него запихнуть? А если транспорт пришел к остановке не пустой, а с пассажирами-легирующими элементами? В этом случае нам и греть нужно дольше чтобы войти и чтобы выйти больше усилий приложить. Помните разговор с «качком» в переполненном вагоне метро?
- Вы на следующей остановке выходите?
- Да.
- А люди перед вами?
- Тоже, только они об этом не знают.
Чтобы углерод выделился из раствора с хромом ему «нужно приложить усилия». Хром мешает диффузии углерода, он ее замедляет в несколько раз. (Вообще-то не все легирующие уменьшают скорость диффузии углерода. Например хром, ванадий, молибден – уменьшают, а никель и кобальт увеличивают).
И вот тут еще одна засада для тех, кто пытается сдержать «перебегание» углерода из слоя в слой в дамаске путем никелевых прокладок. Никель в дамаске чисто декоративный материал, создающий контрастность. Но за все надо платить, и если в ламинате как прокладка он еще работает нормально, то в многослойном материале за счет диффузии создается непрочный никеле-железо-углеродный слой.
Но тему диффузии мы затронули только потому, процесс распада нашего горячего раствора – аустенита – на исходную смесь феррит и перлит (перлит и карбиды) процесс диффузионный. В легированной стали в итоге он затягивается и она остается немагнитной ниже температуры в 768 градусов.
Если сталь после хорошего нагрева при остывании до темно-красного начинает магнититься, значит это углеродка и закаливаем ее в районе первой линии в 768 градусов. Если не магнитится даже остыв до черного – легированная сталь и закаливаем уже при более высокой температуре в районе второй линии.
А что будет, если мы продолжим сыпать хром в нашу сталь? Ничего интересного происходить не будет до момента, когда количество хрома в стали превысит 12%. В этот момент произойдет скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Стали с содержание хрома меньше 12% подвержены коррозии как и обычное железо, стали с содержанием более 12-14% Cr ведут себя как благородные металлы, так как обладают положительным потенциалом (пассивное состояние).
Поэтому нержавейку легко определить с помощью гранулы медного купороса - медь не будет осаждаться из раствора медного купороса на поверхность нержавеющей стали. Положили гранулу купороса на сталь, капнули водой и смотрим – самый простой и надежный способ.
Жаль только что этот способ определяет все виды нержавеек, а среди них есть и те, которые не закаливаются. Однако тут может помочь магнит: не магнитится – не закаливается. Но есть и такие, которые магнитятся, но не закаливаются – тут только по искре или калить на пробу.
Попробуем рассчитать свою сталь и приблизительную температуру ее закалки. Допустим, нам нужна сталь для рыбацкого ножа, выполняющего заодно и кухонные работы – порезать, почистить, пошинковать.
Нож нам нужен небольшой и неширокий – управляемость лучше; не толстый – тяжелых работ по открыванию люков и рубки деревьев не предусмотрено; коррозионностойкий, нормально держащий заточку, при этом легко правящийся в полевых условиях.
Берем железо и начинаем сыпать в него углерод. При 0,4% сталь уже закаливается, значит, пора сыпать хром - его кладем 13%. То есть, мы создали нержавеющую хорошо закаливающуюся сталь при минимальном количестве взятых углерода и хрома. Это будет самая дешевая нержавейка пригодная для изготовления различного инструмента и ножей в частности. Марка ее 40Х13, а иностранные аналоги китайская 4С13, польская 4Н13, немецкая 1.4031, американская 420.
Это самая удобная в обработке и работе нержавеющая сталь – углерода немного, хрома по минимуму для нержи, а значит карбидов не так и много. Однако минимум углерода, который еще и связан в сложные карбиды, может приводить к некоторым трудностям в закалке, которые для нас уже и не трудности.
Мы знаем, что чтобы растворить и перемешать в растворе углерод для таких доэвтектоидных сталей нужно увеличить скорость диффузии – поднять температуру. По идее нам нужно калить от второй линии в 850 градусов – это вы помните из прошлой статьи мы уже моделировали такую сталь, - однако у нас много хрома который связал углерод и чтобы растворить эти тугоплавкие карбиды нужно еще накинуть температуру - поднимем ее под третью линию. Отсюда закаливаются все нержавеющие стали как доэвтектоидные, так и заэвтектоидные. Выше, как говорил, поднимать можно, но в крайних случаях при специальной двойной закалке, о которой ниже.
Итак, сталь у нас есть, изделие готово, как калить? Специально для этой статьи я изготовил два ножа из 40Х13 и закалил двумя разными способами. В обоих случаях получились неплохие, на мой взгляд, ножи, один из которых тут же конфисковала супруга на кухню.
Давайте рассуждать. Чтобы растворить карбиды хрома нужна довольно высокая температура – это раз. Два – углерода мало и чтобы получить высокую твердость нужно его хорошенько распределить по объему стали – опять же надо греть. Но в любом случае мы карбиды получим – от этого никуда не деться, поэтому придется недостаток обратить в достоинство – сделаем карбиды как можно мельче - этим мы упрочним сталь (мелкодисперсное упрочнение) и повысим коррозионные свойства за счет большего количества хрома оставшегося в матрице.
Значит, нагреваем сталь до 1100 и закаливаем ее в воде. Твердость в данном случае нам не важна, так как теперь сталь нужно отпустить – нагреть до 500-600 градусов. После этого в стали появится очень много мелких карбидов в перлитной матрице – что нам и нужно. Это наша цементно-песчаная смесь с мелкими камушками. Теперь быстро нагреваем до 900 и закаливаем в масле (можно и в воде для большей твердости). Крупных карбидов у нас нет – растворили с первого нагрева, а остатки мелких упрочняют сталь. После такой закалки 40Х13 царапает стекло но все еще несколько хрупка. Даем ей небольшой отпуск (до слегка золотистого цвета если на горелке) и работаем. Сталь после такой закалки упруга, в меру тверда и обладает высокими коррозионными свойствами.
Все эти нагревы легко делать на глаз – если мы кратковременно нагреем и выше(ниже) 1100 – ничего страшного. Если чуть меньше или чуть больше 900 – тоже нормально.
Нагретая до 500-600 градусов сталь не имеет цвета каления – она черная. Температуру можно не парясь определить с помощью пирометра – они доступны и недороги. А можно с помощью подручных средств, например, при температуре в 561 градус начинает плавиться кальциевая селитра (нитрат кальция) – распространенное удобрение.
Второй способ.
Этот способ гораздо проще и лучше подходит для 40Х13 и ей подобных, так как дает большую твердость. Первым способом лучше закаливать заэвтетоидные стали типа 95Х18 и ее аналоги. Однако и тем и другим способом легко закалить любую нержавеющую сталь. Жаль только, что годятся они больше для горнов, так как греть муфели по нескольку раз, да на разную температуру – заломно. С распространением муфельных печей, как ни парадоксально, и возникли некоторые трудности в закалке нержавеющих сталей.
Греем сталь до 1000-1100, чуть выдерживаем чтобы растворить карбиды, даем ей остыть на воздухе до красного или темно-красного и закаливаем в воде. После закалки сталь легко царапает стекло. Отпуск как и в первом способе. Преимущества: довольно широкий закалочный интервал температур, нет коробления, высокая твердость, быстрота выполнения. Ошибиться в данном случае очень сложно. Заметили, что мы нагревали сталь выше, а закаливали от температуры ниже рекомендуемой? Дело в том, что большинство рекомендаций по закалке даны для работы с муфельными печами с регулируемой температурой. Наша очень удобная и надежная «закалка с подостуживанием» непригодна для больших партий и основана на умении термиста на глаз определить температуру для погружения изделия в закалочную среду.
А если за основу взять сталь с большим содержанием углерода? Может в этом случае нам не придется греть сталь до высоких температур под закалку, так как углерода у нас за глаза для того чтобы равномерно распределить его по матрице? Придется.
Углерода много – много поэтому и карбидов хрома. Матрица при 13% углерода будет обеднена хромом и нержавейка у нас получится так себе. Придется к большому углероду добавлять еще и порядком хрома.
В этом случае мы получили сталь как бы лежащую на противоположном конце линейки нержавеющих инструментальных сталей. В ней все по максимуму и хром и углерод, в отличие от нашей первой стали, где все по минимуму. А получили мы теперь нечто 95Х18 и ее зарубежных аналогов: США - 440B, 440C, 440FSe, A756; Германия - 1.4125, X102CrMo17, X105CrMo17; Япония - SUS440C; Франция - X105CrMo17, Z100CD17;ЕС - X102CrMo17; Польша - H18; Чехия – 17042.
Больше углерода – больше карбидов хрома – меньше хрома в матрице – хуже коррозионные свойства – больше хрома.
Греть до высоких температур придется как и в первом случае, но теперь уже для того, чтобы растворить множество крупных тугоплавких карбидов. Поэтому первый способ закалки довольно не плох, если нужна высокая твердость. При втором способе твердость может быть даже чуть ниже, (особенно если калить в масло) но рез будет агрессивнее за счет остатков крупных карбидов.
«Мыльный рез» у нержавеек возникает только по причине закалки их от высоких температур, а так карбидов в них хватает. Но кто сейчас будет париться с двойной закалкой или закалкой с подостуживанием, если нужно закалить большую партию клинков?
Перечисленные выше марки стали хорошо известны и популярны. Популярны до такой степени, что народ тупо клюет только на их название. На прошлой неделе говорил с одним из производителей ножей из довольно крупной мастерской. Да, он иногда ставит на обкладки (в трехслойке) такие стали. На вопрос зачем, честно ответил: «маркетинг!». Потребительских свойств ножу это не добавляет, но народ берет.
Эти стали уже довольно заморочисты по причине большого количества карбидов в них. Чтобы получить хорошие коррозионные свойства приходится греть под закалку до больших температур, при достаточном количестве углерода. Да и после ковки, а куются они тяжело и режутся хуже, нужен специальный отжиг из-за возможного выделения карбидов по границам зерен стали. Поэтому в них часто вводят дополнительные легирующие добавки помимо хрома.
А теперь представьте как сложна термообработка ножа из 95Х18 и У8 . Если провести отжиг, то можем вырастить зерно в У8, так как температура отжига первой около 900, а второй около 700. И если мы нагреем сталь под закалку чуть выше, допустим до 900, то даже при закалке с 780, мы закалим обе стали. Поэтому греть придется «снизу» поднимая температуру и закалка с подостуживанием уже невозможна.
Поэтому японские производители ножей не парятся и ставят на обкладки стали типа 20Х13. Это что-то типа нашей первой нержавеющей стали только с меньшим количеством углерода – чтобы не закаливалась. Отличная обрабатываемость, свариваемость, высокая коррозионная стойкость, свободная возможность проводить сложную закалку центрального слоя на очень высокую твердость – что еще нужно? Но кто-то не ищет легких путей…
P.S.
То что сталь 95х18 ледебуритная для нас не имеет никакого значения. И 40х13 и 95х18 после закалки имеют в своей структуре мартенсит, карбиды и остаточный аустенит. Разница будет только в количестве и пропорциях этих составляющих.
О закалке стали 5
Кому-то все эти статьи кажутся бессмысленными, потому что «Алиэкспресс», как взорвавшаяся в старой и пыльной галактике сверхновая, осветил нам путь в будущее. В общем, «на Али» как в Греции, есть всё. Или почти все. Упомянул Грецию и сразу подумал, что цитату из Чехова «В Греции есть всё» не многие помнят. Это к тому, что без лирики эта статья не обойдется.
А если, вдруг, понадобилась пружинка специфической формы и размера? Где взять? Обычно идут в магазин или ищут в Интернете. А если понадобилась срочно? А вот тут нужно иметь хотя бы минимальные знания по термической обработке и закалке-отпуску в частности.
Есть много специалистов, которые в домашних условиях наловчились перевивать магазинные и вить нужные по размеру (и жесткости) пружины. Действительно, сколько раз я расковыривал какой-нибудь шампунь с дозатором, чтобы вытащить оттуда пружину и перевив, тут же закалить ее на газовой конфорке. Да, временная, конечно, замена, но отыскав нужную проволоку, потом можно сделать что-то и понадежнее.
Приходилось мне перекаливать и подсевшие заводские ружейные пружины, да мало ли когда пригодятся знания по термической обработке… Сделать и закалить шило, резец, рыболовные крючки, кстати, раньше крючки часто перекаливали: то перекал с завода – ломаются, то недокал –разгибаются. Купят сотню на донки или перемет и всю партию в перекалку. А где перекаливали? Да в гараже на паяльной лампе или на кухне на газу.
Сейчас такое «непотребство» стали забывать – проще новое купить, а старое выкинуть. Сменился технологический уклад. Это произошло как-то не слишком заметно для тех, кто в мегаполисах живет, а вот кто в деревнях или небольших городах - прочувствовали это сразу. Сварочники разных видов, пилы, точила, станки по дереву и металлу, гриндеры, болгарки и всевозможные насадки к ним появились сразу и у всех. Вчера еще рубили ленту на пилу-лучкову, а сегодня уже мощный электролобзик фигурно режет твердую древесину.
Самодельный сварочный аппарат.
Теперь даже по дереву не часто вырезают руками, а покупают станок ЧПУ, который выпиливает почти любой рисунок.
Уже не надо идти к знакомому мужику в гараж, что-то выточить на его точиле. А помнится не так и давно точила делали сами, как и сварочные аппараты. Я сам как-то делал, а один такой самодельный работает у меня до сих пор. Тянет даже четверку-электрод.
А если у кого была наковальня и горн, то он мог почувствовать себя в шкуре настоящего деревенского кузнеца.
Тащили в кузницу все – от сломанных шумовок, до перил и оград. По этой причине деревенский кузнец был специалистом широчайшего профиля и делал очень многое от лужения кастрюль и ковки кочедыков, до починки часов. Один такой гад, починил трофейные старинные настенные часы, привезенные дедом из Германии в сорок пятом. Часы пошли, но завод уменьшился основательно – отрубил деревенский кузнец часть пружины на свои кузнечные нужды.
Но не всякий деревенский кузнец мог подковать лошадь – тут совсем другая специализация и подход. Да и закаливать подковы не нужно – смысла нет.
Жизнь идет вперед, быстро меняя свой вид. Уходят в прошлое старые технологии не оставляя следа. Вот, например, так называемая «дулька» на ноже. Откуда она взялась? Нет, это не для удобства заточки – это след технологии изготовления. Или «чо» («чойл») на кукри – тоже след старинной техны. Она забыта, а традиция делать – осталась, как и в случае с «дулькой». Нам конечно "знатоки" расскажут, что альтруист-кузнец, озаботившись удобством пользователя своей продукции решил как-то отметить зону заточки. А что, годная версия - тот кто покупает ножи тупой и слепой обычно, не видит где и откуда точить. Кстати, это выемка иногда очень мешает - цепляется за нее все, но делают иногда. Традиция. А может она клинок укрепляет? Подумайте на досуге.
В общем, реальность из неспешной, когда для звонка в другой город нужно было идти на почту заказывать разговор, чтобы в определенный день, человек в другом городе пришел на свою почту там, и вы смогли пару минут поболтать о жизни, растворилась во времени. В нашу жизнь ворвался агрессивный маркетинг в прямом смысле этого слова.
Слова «продать» и «купить» стали самыми популярными. Забейте в поиск – проверьте. Со сменой уклада на нас обрушилась и масса информации. Теперь не нужно идти к какому-нибудь мастеру и спрашивать, как он что-то делает. Сейчас можно почитать статью на каком-нибудь сайте и сделать все самому. И все бы хорошо, вот только информация часто очень сильно искажена, потому как сайты порой наполняются «контентом от фрилансеров». Очень хорошо знаю парочку таких. Работать их на этом поприще жизнь заставила. Кстати, вот вам совет от одного из них, если и вы захотите влезть в эту шкуру.
«Не вкладывай душу, иначе быстро сгоришь».
Это - если хочешь стать настоящим профессионалом и писать быстро и много, надо писать «на отвяжись». И писали они статьи на разные темы, от починки и обустройства канализации, от приготовления изысканных блюд, до советов влюбленным.
Понимаете, какого качества эти статьи? А тысячи таких висят где-то на сайтах, так как были приняты заказчиком и оплачены. А теперь читаются и откладываются в мозгах заглянувших. А потом эти читатели, впитав в себя ересь про утерянные секреты булата, до хрипоты мне доказывают, что булат «рубил камни и самозатачивался от крови врага». Кстати, это цитата с такого сайта.
Более того, многие читатели перестали читать длинные статьи – сил, наверное, нет. Надеюсь, до этих строк добрались не все и остались только самые терпеливые – вредный я.
Итак, перехожу к теме закалки.
Давайте пофантазируем и представим себя не в роли упомянутого деревенского кузнеца. А в роли прошаренного современного исследователя-металлурга, способного в своей лаборатории создать по желанию любую сталь.
Берем чистое железо и начинаем постепенно добавлять в него углерод – 0,1%, 0,2%, 0,3% - и проверять сталь на закаливаемость. Вот, дошли до 0,35 или даже 0,4% углерода. Если до этого момента никаких особо заметных изменений не происходило, то при 0,4% С сталь после закалки вдруг стала гораздо крепче и тверже. Что случилось, если углерод до этого момента тоже в железе присутствовал?
Помните из прошлой статьи доэвтектоидные стали и почему они так называются? В стали «не хватает» углерода, и чтобы наш застывший раствор получился без мягких комков его надо хорошо перемешать перед этим. Что делает строитель, если в смеси мало цемента? Он тщательно ее перемешивает, до тех пор, пока все частички песка не будут связаны частичками цемента. Только в этом случае застывший бетон получится крепким и однородным.
Броуновское движение помните со школы? А диффузию? В нашем случае диффузия – это проникновение атомов одного элемента в кристаллическую решетку другого. Чем выше температура, тем быстрее работает углеродомешалка – диффузия. Диффузия нам заменяет бетономешалку. Чем быстрее ее обороты, тем меньше времени уйдет на создание качественной смеси-раствора.
Как вы помните, перемешивание или образование раствора в углеродистой стали начинается при 727 градусах. Если очень долго ждать, то когда-нибудь, в теории, мы и получим этот качественный раствор, но это не точно. Поэтому чтобы процесс создания раствора шел быстрее, нужно, как вы понимаете, поднять температуру.
Раствор – это в прямом смысле раствор. Раствор углерода в раскаленном железе называется аустенитом. Могли бы назвать и просто – горячим раствором, но тут дело в том, что при определенных условиях этот горячий раствор может сохраняться в холодном виде. Тут у нас оксюморон получается, поэтому такой горяче-холодный раствор назвали остаточным аустенитом.
Пусть вас не пугает название аустенит. Раствор углерода в горячем железе назвали по фамилии англичанина его описавшего У.Робертса-Остина (W.Roberts-Austen). Если бы эту структурную составляющую сталей открыл бы Иванов, раствор назвали бы, наверное, иванитом. Ведь холодный пересыщенный раствор углерода в железе мартенсит назвали в честь немца Адольфа Мартенса, поэтому ничего такого особо умного в этих словах нет. Нам главное помнить, что есть горячий раствор и холодный раствор. И чтобы получить нужный нам очень твердый холодный, необходимо хорошо перемешать углерод в горячем. Вот это и есть вся основная «тайна» закалки любых, повторяюсь – любых сталей. Конечно тех, где есть углерод в достаточном количестве.
Как примерно определить сколько его в углеродистой стали я писал в прошлой статье.
То есть, чтобы закалить нашу сталь с 0,4 углерода, надо ее основательно прогреть, чтобы углерод и феррит растворились в горячем железе (аустените) полностью и равномерно. Поэтому, температура закалки доэвтектоидных сталей («с нехваткой углерода»), немного выше, чем температура закалки заэвтектоидных («с избытком углерода»).
Теперь сварим сталь с углеродом 0,6%. Как вы уже поняли, температура закалки этой стали будет немного ниже, чем стали с 0,4% С – диффузию-углеродомешалку, сильно зависящую от температуры уже не нужно включать на такую высокую мощность.
Сталь с 0,8% С потребует для закалки еще меньшей температуры нагрева – углерода больше, «перемешивать» его особо тщательно уже не нужно. Это хорошо видно на схеме закалочных температур. Берем температуру в 727 градусов, при которой начинает появляться раствор, чтобы долго не ждать добавляем 50 градусов сверху и получаем температуру закалки У8 – 760-780 градусов. Но эта схема работает только для сталей с избытком углерода, доэвтектоидные стали надо греть немного выше – углерода мало.
В сталях с избытком углерода его так много, что он выделяется в виде комков-карбидов. Чем карбидов больше, тем до более высоких температур надо греть сталь, чтобы их растворить полностью. (Большой кусок сахара будет растворяться в чае дольше, чем ложка сахарного песка такой же массы). Однако, углерода и так хватает, поэтому карбиды не растворяют полностью, чем еще больше упрочняют сталь после закалки, потому что карбиды самая твердая фаза в стали. Гораздо тверже мартенсита – пресыщенного холодного раствора, который и получается после закалки. (Твердость мартенсита 650-750 Нв, а твердость карбидов около 800 Нв).
Более того, чем больше углерода в таком растворе, тем он тверже. Поэтому твердость заэвтетоидных углеродистых сталей больше твердости доэвтектоидных сталей. Про точку «S» я писал в прошлой статье.
Почему так? Да совсем просто.
Как-то видел один короткий смешной советский мультфильм, очень точно иллюстрирующий процессы, происходящие в стали во время закалки. Вы его легко найдете по запросу в Сети «советский мультфильм автобус».
На остановке стоит большая толпа народа. Подъезжает маленький автобус и часть людей впихивается в салон.
- Все влезли? – спрашивает водитель.
- Нет! – орут с остановки в ответ.
Водитель передвигает специальный рычаг и автобус немного растягивается в длину.
- Все влезли?
- Нет!
Рычаг переводится еще на одно деление вниз и автобус еще удлиняется.
- Все?
- Нет!
Водитель давит рычаг в пол и автобус становится похож на длинную колбасу.
- Все?
- Все!
- Поехали, - водитель возвращает рычаг в исходное и автобус сжимается в первоначальный вид.
В общем, в салоне стало очень много твердых, немного искаженных и деформированных пассажиров. Точно так же происходит и в стали.
В раскаленном состоянии железо способно растворять углерод, а в холодном – нет. Вспомните наш солевой раствор. Кстати, для лучшей аналогии тут посоветовали соль заменить на сахар – так будет точнее. Я не против.
Напихав в кристаллическую решетку железа много атомов углерода, мы резко охлаждаем сталь, чтобы углерод не успел выделиться из раствора как тот сахар (или пассажиры не успели выскочить из сжимающегося мультяшного автобуса). Кристаллическая решетка железа, из-за того, что углерод не может в ней раствориться но и не может выделиться, искажается очень сильно и в стали образуется уже известный нам мартенсит – пресыщенный твердый раствор углерода в железе. Понимаете, почему пресыщенный? Углерод должен был «выпасть в осадок» в виде карбидов или в виде цементита в перлите, но не успел.
Чтобы углерод не успел выделиться, нужна очень большая скорость охлаждения горячего раствора (аустенита). Чем она выше – тем больше углерода останется в холодном железе, тем больше будет искажена кристаллическая решетка, тем тверже станет мартенсит.
По этой причине, закалить раскаленную саблю размахивая ей в воздухе, пусть и на скаку, можно только на очень небольшую твердость. Но по причине того, что сталь раньше часто была хладноломкой, сабли на высокую твердость и не закаливали – поломаются.
Были, конечно, всякие экземпляры, но хорошие и стоили дорого, да и писал я уже об этом.
Короче, моча для получения высокой твердости, как закалочная среда, гораздо лучше горного воздуха. И свет луны тут как бы и ни при чем, а вот слезы девственницы, если горючие и соленые, очень даже подойдут.
Надеюсь, я понятно описал причину, по которой мы вообще нагреваем сталь под закалку. И на этом можно было бы остановиться, если бы не легирующие элементы. Продолжим моделировать нашу фантазийную сталь в следующей статье, а пока разберемся, как определить температуру закалки углеродистых сталей.
Наверное, вам надоели эти унылые черно-белые схемы, поэтому нарисую свою, яркую и веселую. Начну, с модных в нынешнее время всяких там красных линий. Но мелочиться не буду - сделаю красные линии широкими и разных оттенков. (Может в этом и все дело?)
Поначалу я хотел добавить в схему и синих тонов, но это потом сможет сделать каждый, когда дойдем до отпуска. А пока и красного хватит, тем более что некоторые красные линии я буду чертить зеленым цветом.
Первая красная-зеленая линия это линия равная температуре 1100 градусов. Температура взята произвольно, но желательно не нагревать выше неё любую сталь: углеродистую, легированную, нержавеющую. Поэтому эта зеленая линия и красная.
Следующая линия – это линия S. Слева от которой лежат стали доэвтектоидные, справа – эвтектоидные - больше она ничего и не обозначает.
Еще одна очень нужная и интересная – линия равная температуре 768 градусов. Это выше температуры, при которой начинается образовываться наш горячий раствор, поэтому при такой температуре можно как-то закалить все углеродистые стали от 0,35-0,4% углерода. А углеродистые стали от 0,8% будут уже прекрасно закаливаться. Зеленая линия в 850 градусов будет красной для всех углеродистых сталей, как доэвтектоидных с нехваткой углерода, так и заэвтектоидных с его избытком. Можно нагреть и выше, но не нужно – ни к чему.
Почему 768 и как определить эту температуру? Можно по цвету каления – на глаз. Сталь цвета спелой вишни будет соответствовать этому нагреву. Цвет спелой вишни… как лирично. Так и просится сюда хокку:
Все холоднее,
Только никак не остыть
Гроздьям рябины.
Определите температуру каления стали по цвету ягод.
Кстати, цвет заходящего солнца у горизонта соответствует примерно 850-900 градусам нагрева стали, поэтому оно у нас и остывающее после раскаленного желтого. Но это не точно, проверяйте сами.
Вообще, определять температуру визуально нужно в полумраке. На ярком свету всегда будет перегрев.
Второй, более надежный способ определения этой температуры – магнит. Выше 768 градусов железо не магнитно. На диаграмме железо-углерод вы найдете эту линию слева в углу. Она там хоть и короткая, но после нагрева выше 768 градусов немагнитны все стали и доэвтектоидные и заэвтектоидные. Только, вот, речь пока идет об углеродистых сталях. В легирующих - своя особенность, с помощью которой их легко можно определить с помощью магнита, потому что наш горячий раствор углерода в железе – аустенит - тоже немагнитен.
Хоть фото ниже и не передает точно цвета, но принцип понятен: при одном нагреве магнит притягивается к напильнику, а при другом – большем – нет.
Углеродка самая простая в закалке сталь. Алгоритм действий здесь прост.
Определяем по искре количество углерода с помощью маркеров или просто на глаз. Если это сталь доэвтектоидная (меньше 0,8%С) Нагреваем сталь до момента, когда магнит перестанет к ней притягивается. Запоминаем цвет каления. Нагреваем чуть выше и закаливаем в воде.
Температура таких сталей на нашей красочной схеме будет лежать слева от линии S в заштрихованной области. Цвет каления красный, светло-красный.
Если сталь заэвтектоидная, например, тот же пущенный на нож напильник, то все еще проще. Нагреваем до момента, когда магнит перестает реагировать на сталь и закаливаем в воде. Можно в масле, если не нужна очень высокая твердость. Температура закалки таких сталей в заштрихованной области справа от линии S.
Закаливать такую сталь можно двумя способами. Нагревать до момента, когда магнит перестанет «прилипать» или остужать до этого момента, нагрев сталь чуть выше.
Второй способ проще и имеет ряд преимуществ – сталь меньше коробит, меньше закалочных трещин, не нужно постоянно вынимать заготовку из горна. Такой способ называется закалка с подостуживанием. Раньше применялся очень широко, сейчас, с появлением у кузнецов муфельных печей почти не применяется, как и «закалка на магнит». Причина тут еще в том, что сменившийся технологический уклад открыл доступ к легированным и высоколегироованным сталям. Углеродистые стали в изготовлении ножей почти перестали применяться.
Действительно, зачем термисту греть печь выше положенной температуры, а потом еще «ловить момент» когда можно нагрев печь, запихнуть туда охапку заготовок калить их точно от заданной температуры. Вот так прогресс меняет технологии и приводит к неожиданным результатам. Если кузнец, закаливающий заготовки по одной может «запороть» одну-две-несколько, то при закалке в муфельной печи в брак может пойти вся партия. В то же время, если термист сделал все правильно – вся партия будет нужного качества.
Однако, при малых объемах закалка в горне выгодней – скорость нагрева больше, тратится меньше времени на закалку малой партии или единичного экземпляра. А при закалке легированных сталей закалка с подостуживанием уменьшает коробление и повышает твердость относительно обычной закалки. Она идеально подходит для закалки тонких и длинных предметов. Да и сам процесс гораздо проще выходит. Правда магнит в этом деле нам уже не поможет. Но об этом в следующих статьях.
Демонстрация работы роботизированного лазерного комплекса МЭЛ-3.0 «ТермоЛазер» в цехе ЮЗТС (Краснодар)
МЭЛ-3.0 «ТермоЛазер» – роботизированный лазерный комплекс для повышения износостойкости поверхностей деталей, лазерной закалки и наплавки.
Технологические возможности оборудования:
- лазерная обработка крупногабаритных объектов;
- выполнение лазерных операций с объектами, размеры которых превышают размеры рабочей зоны технологического робота;
- возможность перемещения роботизированного лазерного комплекса с использованием его собственной транспортной системы;
- выполнение операций в различных структурных подразделениях одного предприятия.
Главное преимущество робота заключается в возможности равномерной лазерной обработки труднодоступных для системы портального типа поверхностей деталей.
О закалке стали 4
Когда люди желают заиметь хороший нож, они обращаются к мастеру-индивидуалу, а не идут на завод, просить самого умного технолога, сделать им этот нож. И так во многих вещах. Когда достаточно предлагаемых заводом свойств – идут на завод. У меня, например, очередь может достигать пары-другой месяцев на деле выходит и до года), хотя я чаще всего делаю только клинки и поковки. У некоторых мастеров очередь растягивается на несколько лет. Почему же тем людям, которые терпеливо ждут, не обратиться на какой-нибудь завод сразу?
Дело тут в технологичности. Как-то я пожаловался одному американскому профессору - Майку Чикиндасу -, что у меня нет программируемой муфельной печи и я не могу точно выдерживать нужные температуры на больших объемах. На что он мне ответил, что это не недостаток маленькой мастерской, а ее преимущество. И не нужно гнаться за объемами, а надо делать так, чтобы людям нравилось.
Например, где вы возьмете сталь такого состава, если только не закажете ее у частника? Почему такая сталь (с таким углеродом) ценится в клинках – это тема других статей.
На рисунке состав стали сваренной мной не так давно.
Действительно, мне, как и любому другому мастеру, работающему в «гаражных» условиях очень легко и просто подходить индивидуально к каждому изделию. Любой кузнец может сделать зонную закалку, что не сделают на заводе. Кузнец может острие клинка отпустить на меньшую твердость, может сделать дифферинцированным угол заточки – нет особой разницы с полной равномерной термообработкой или вытачиванием другого клинка. Все это недоступно и невыполнимо в заводских условиях, потому что там сделать это не позволяют технологии. Но это все лирика не относящаяся к данной теме – закалке.
Наверное, самое сложное в термообработке это уяснить, почему одни стали надо греть под закалку до высокой температуры, а другие – нет. Зная принципы процесса закалки, и умея определять примерный состав стали примитивными методами, легко и просто закалить сталь даже в гаражных или домашних условиях. И не нужно будет каждый раз заглядывать в справочник термиста, чтобы понять, что схожие стали закаливаются одинаково. Как там у Айзека Азимова: «вставь шплинт А в гнездо Б»? Вот так на заводе и работают – по инструкциям. И это не плохо – это условия такие. Обижаться что кузнецы работают в других условиях – глупо.
Понимая принцип закалки самому можно управлять получаемыми структурами. И вот здесь уже закалка из механического повторения инструкции превращается в творчество, в искусство.
Меня в комментариях спросили, для кого и с какой целью я здесь это пишу, так как читатели – люди грамотные и взрослые? Однако, я не уверен в том, что большинство из читающих этот текст знает о том, о чем прочтет ниже. Слишком далеко ушел вперед прогресс, и сменившийся технологический уклад заставляет владельцев печей с программным управлением с презрением смотреть на «рукоблудников» закаливающих сталь «на глаз», то есть определяющих нужную температуру по цветам каления и побежалости.
Очень часто, когда меня спрашивают до какой температуры отпускать клинок из изготовленной мной стали, называю цвет и тут же получаю встречный вопрос:
- А сколько это в градусах?
Причем спрашивают люди, работающие в больших мастерских с дорогими муфельными печами. Может они и знают про модуль Юнга, а вот на сколько градусов нагрета сталь, если имеет васильковый цвет – точно не все. Что важнее, уметь рисовать диаграмму растяжения, которая никогда вам в жизни не пригодится или имея под рукой магнит, определить степень легированности, чтобы на коленке сделать себе инструмент? Про это тоже тему создать можно.
Понятно, что одни знания хороши в одних условиях, другие – в других. Однако, есть у этих статей еще одна цель – создать интерес к какому-нибудь делу. Любая работа руками в свое удовольствие, как говорят «излечивает гнев и заполняет время». Я знаю не одного профессора, увлеченных сталью. А один кухонный нож, сделанный руками доктора филологических наук, профессором, давно и успешно работает у меня на кухне. Очень полезный и приятный подарок. Кстати, оборудованию, которое есть в домашней мастерской этого «филолога» может позавидовать не одна профессиональная мастерская. Да и умением прекрасно слесарить профессор гордится.
Другой пример. Ушел военный на пенсию и проводит время где-то в глухой деревне на отшибе Тверской области. Чем заняться? И начитавшись статей про железо, решил он заняться ковкой. Долго и упорно я объяснял ему с чего начать, имея под рукой молоток, кусок рельса и дровяную печь в бане… А какие кинжалы у него со временем стали получаться – загляденье. Хотите фото?
На фото кинжал откованный у печки в деревенской бане и обработанный с помощью напильника и наждачной бумаги (точила не было).
Вам на заводе такой сделают? Но это всё лирика, поэтому вернемся к нашей песчано-цементной смеси. Только теперь сделаем наоборот – песок у нас будет железом (ферритом, Fe –феррум – железо), а цемент – углеродом. С песком и цементом каждый имел дело, поэтому на такой аналогии объяснять будет проще, а как вы помните, основная структура стали – перлит – имеет похожее строение, только во много раз мельче.
Как и сказал ранее, буду упрощать и говорить о том, что нужно для практики в условиях обычных домашних мастерских.
Берем песок – железо, и начинаем добавлять в него цемент - постепенно создавать нашу стальную структуру. Поначалу цемента будет не хватать для того чтобы связать все частички песка и в смеси, после ее застывания, появятся мягкие участки – там цемента не хватило. Такую структуру до закалки (после отжига) имеют доэвтектоидные стали. Только в роли мягких областей у нас выступает железо – феррит. То есть, в структуре такой стали перлит (смесь) и феррит.
Добавляя постепенно в смесь цемент, мы неизбежно добьемся того момента, когда все наши песчинки будут связаны цементом. То есть, цемента ровно столько, сколько надо, чтобы получить равномерную песчано-цементную смесь без мягких песочных участков. На диаграмме стояния железо-углерод эта точка соответствует точке S и называется точкой эвтектики.
Добавляя далее цемента-углерода в смесь, мы добьемся того, что его количество станет лишним и он будет находиться в смеси в виде комков-карбидов. То есть, точка S разделяет смеси-стали с недостатком и избытком углерода. Стали лежащие до этой точки слева, называются доэвтектоидными, справа – заэвтектоидными по названию самой точки S – точка эвтектики.
Самой точке соответствует сталь У8 с содержанием углерода 0,8%. То есть, в отожженном состоянии в У8 только перлит. В сталях с меньшим количеством углерода – перлит и феррит-железо. В сталях справа, с большим количеством – перлит и карбиды (комки цемента-углерода).
Надеюсь, разжевал полностью, для чего нам это нужно знать, объясню позже, так как пока теории хватит и пора приступать к практике. Действительно, зачем нам знания о кристаллических решетках, напряжениях, модулях упругости, если мы не можем отличить без бирки закаливающую сталь он незакаливающейся на высокую твердость, а легированную от нержавеющей? И вот только после того, как мы сумеем понять, что у нас в руках, можно перейти к вопросам как это закаливать и почему.
Все помнят со школы, что опущенная в кислород железная проволока горит с яркими искрами? Горят в воздухе и быстро летящие нагретые до высоких температур опилки железа. Сноп искр из-под болгарки видели все.
Однако, так как химический состав сталей разный, то и искры тоже разные. Проще всего определить сталь с низким или высоким содержанием углерода без легирующих элементов.
На фото сноп искр стали с содержанием углерода 1,8%.
Видите эти пушистые звездочки? Это горит углерод. Чем больше его в стали, тем пушистее хвост искр и тем он короче. Дело в том, что железо с углеродом в потоке воздуха сгорает быстрее, и углеродистый сноп короче малоуглеродистого. Это проверить не сложно, достаточно закрепить в тисках два куска разных по углероду сталей и посмотреть, попипив их болгаркой.
Но легирующие элементы вносят небольшие (если легирующих немного), и очень большие (если их много) изменения в способность углерода гореть. В легированных сталях он связан в карбидах, поэтому даже при одинаковом количестве углерода в сталях, в легированных сноп искр будет отличаться не только по ширине, длине и количестве пушистых звездочек, но еще и по цвету. В низкоуглеродистых сталях искры светлее.
На фото искры стали с примерным содержанием углерода 0,35%
Вы уже догадались, что сноп искр у стали ШХ-15 будет другой.
На фото ниже сноп искр стали ШХ-15. Содержание углерода в ней около 1%.
Заметили, что строчек-линий, которые заканчиваются звездочками в этой стали гораздо больше, чем в стали с углеродом 0,35? А расстояние пролета искр больше чем в стали с 1,8%С? В этой последней все росчерки со звездочками на конце.
В сталях с небольшим содержанием углерода, строчек оканчивающихся горячей маленькой точкой-капелькой, больше, чем линий оканчивающихся пушистой звездочкой.
Искра высоколегированных и нержавеющих сталей отличается, как писал, еще и цветом. Но есть более надежные способы определения этих сталей, чем определение их по искре. Об этих способах в следующей части, так как они связаны с нагревом стали.
На фото ниже искра «нержавеек» разных классов.
Заметили длинные красные линии, не заканчивающиеся звездочкой? Эта искра совсем непохожа на предыдущие. Но разбираться с нержавейками мы будем позже. Это на графиках все быстро и непонятно, а на практике много чего нужно узнать, чтобы в своей домашней мастерской закалить нож или пружину.
Кстати, здесь, уверен, есть те, кто закаливает пружины для себя, перевивая их из заводских. Слишком убого иногда получается на заводах. Но это не в пику заводчанам, там просто технологии заточены не под качество, а под количество с приемлемым качеством. Знаний много, а развернуться не дают жесткие рамки заводских условий. Но это опять лирика, и о ней в следующей статье, в которой сами нарисуем такую диаграму, которая понятна домохозяйкам и практически нужна для закалки, а не для балабольства.
В чугуне тоже много углерода, но часть его в форме тех же слаборючих карбидов и вообще негорючего графита.
Определение марки стали по искре древний и довольно надежный способ доступный всем. Можно найти в Сети материалы по этой теме.
Авторство:
Авторская работа / переводика
Как подготовить машину к долгой поездке
Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.