Закалка титана в домашних условиях

Термическая обработка титановых сплавов

Сообщение об ошибке

СОДЕРЖАНИЕ

  • Термическая обработка титановых сплавов
  • Литература

Термическая обработка титановых сплавов

Титан и α -сплавы титана не упрочняются термической обработкой, и их подвергают только рекристаллизациоиному отжигу. Температура отжига α + β -сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры превращения α + β → β , так как и в β -области происходит сильный рост зерна. Отжиг при температурах, соответствующих β -области, мало влияет на σ в и σ 0,2, но сильно снижает δ и ψ . Вязкость разрушения К возрастает при повышении температуры обработки в α + β -области при сохранении высоких значении δ и ψ . Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг на 20–30 °С ниже температуры α + β → β -превращення (псевдо β -отжиг).

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке α — и α + β -сплавов, применяют неполный отжиг при 550–600 °С; α + β -сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

Рассмотрим превращения, которые протекают в α + β -сплавах при закалке. При быстром охлаждении сплавов, нагретых до области β -фазы (рис.1), протекает сдвиговое мартенситное превращение. Как и в стали, мартенситное превращение в титановых сплавах протекает в интервале температур МнМк. Чем выше содержание в сплаве β -стабилизаторов, тем ниже температура мартенситного превращения Мн и Мк (рис.1).


Рис.1. Структура сплавов титана после закалки из β –области (а) и влияние концентрации легирующих элементов (л.э.) на точку Мн (а и б)

После закалки малолегированных сплавов образуется α ′-фаза (рис.1). Мартенситная α ′-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Она имеет несколько искаженную гексагональную решетку и характерное для мартенсита игольчатое строение (рис.2а,б).


а)

б)
Рис.2. Микроструктуры сплавов титана (×100)
а – α ′-фаза; б – α ′ + β -фазы ( β -фаза – темные участки)

При концентрации легирующего элемента выше точки С (рис.1а) возникает мартенситная α ″-фаза с ромбической решеткой. Появление α ″-фазы вызывает уменьшение твердости и прочности сплавов и увеличение пластичности. После закалки сплавов, имеющих концентрацию β -стабилизатора более Cк, образуются α ″- и β -фазы, а выше Cк – только метастабильная β -фаза. В β -фазе, как это видно из рис.1, может образоваться мартенситная ω -фаза с гексагональной структурой, которая когерентно связана с матрицей и при микроструктурном анализе не выявляется. Возникновение ω -фазы сильно охрупчивает сплав.

Закалку α + β -сплавов во избежание сильного роста зерна производят от температур, соответствующих α + β -области (рис.1). При этом α ′-фаза остается без изменений, а β -фаза претерпевает те же превращения, какие протекают в сплаве того же состава, что и β -фаза, при закалке из β -области. Например, для случая, приведенного на рис.1, при температуре t состав α -фазы определится точкой a, а состав β -фазы — точкой b; β -фаза этого состава при закалке приобретает структуру β ( ω ). Следовательно, структура всех сплавов после закалки с температуры t, отвечающей α + β -фазам, будет состоять из α + β ( ω )-фаз. При закалке с температур выше tк (рис.1) состав β -фазы будет меньше Cк, и при быстром охлаждении она будет полностью или частично испытывать мартенситное превращение. Структура сплавов после закалки будет α + α ″ + β ( ω ), или α + α ″, или α + α ′ (рис.1).

В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α ″-фазы и остаточной β -фазы. Повышение прочности при распаде α ″-фазы невелико. Упрочнение, связанное с образованием ω -фазы, использовать нельзя из-за возникновения высокой хрупкости сплавов. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием ω -фазы, применяют более высокую температуру старения: 450–600 °С.

Упрочняющая термическая обработка для крупных деталей из титановых сплавов применяется редко. Это объясняется малой прокаливаемостъю титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К) и короблением деталей. Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания β -фазы, усложнением состава сплава (ВТ9, ВТЗ, ВТ22) и применением регламентированной скорости охлаждения при закалке (для сплавов ВТЗ-1, ВТ9 до 20 °С/с).

Высокую конструктивную прочность обеспечивает «мягкая закалка», которая сводится к нагреву при температурах α + β -области. охлаждению со скоростью 50–150 °С/ч до 700–600 °С и последующему охлаждению на воздухе или в воде. После мягкой закалки производится старение при 450–500 °С. После такой обработки частицы α ″-фазы в метастабильной β -фазе вместо пластинчатой формы имеют округлую форму, что и повышает надежность деталей в эксплуатации.

Типовые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, и при использовании в узлах трения они подвергаются химикотермической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850–950 °С в течение 30–60 ч в атмосфере азота.

Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч 0,05–0,15 мм, HV 750–900.

Термическая обработка титана

Механические свойства титана в большей степени определяются присутствующими в нем фазами, чем составом сплава. Легирующие элементы частично замещают атомы титана в решетке и тем самым изменяют его свойства. В действительности же содержание той или иной фазы в сплаве в большей мере зависит от циклов нагревания и охлаждения, чем от такого замещения атомов. Большинство легирующих добавок стабилизирует объемно-центрированную в-фазу и понижает температуру превращения до такой степени, что при комнатной температуре сплавы представляют смесь фаз а и в.
а-фаза, кристаллизующаяся в гексагональной решетке, сравнительно мягка, вязка и пластична, тогда как в-фаза обладает большими твердостью и прочностью, но меньшей пластичностью. Таким образом, изменяя относительное содержание этих фаз, можно изменять механические свойства сплава. Для этого пользуются закалкой, отпуском, непрерывным охлаждением, изотермическим превращением, гомогенизацией и старением.
Закалка. При быстром охлаждении в воде или в соляном растворе из в-области (минимальная температура которой зависит от состава сплава) тенденция к образованию а-фазы подавляется, что ведет к сохранению в-фазы. Однако сплавы с определенным составом претерпевают при закалке специфическое мартенситное превращение, механизм которого не вполне ясен. Образование подобной структуры, состоящей из так называемой а’-фазы, приводит к некоторому искажению решетки, в результате чего материал становится по сравнению с а-фазой более твердым и вязким, упрочняется и лучше противостоит усталости.
Отпуск. Если титановый сплав закалить с высокой температуры и затем, нагрев его до температуры ниже в-превращения, выдержать при этой температуре определенное время и быстро охладить опять, то такая операция будет называться отпуском. Отпуск характеризуется тремя факторами: фазовым составом сплава, продолжительностью и температурой отпуска. Если исходная структура содержит а’-фазу, то при отпуске наблюдаются изменения двоякого рода: а’-фаза превращается в а-фазу, и зерна а-фазы с течением времени становятся зубчатыми по форме. В результате этого твердость и прочность уменьшаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.
Однако структуры, состоящие из смеси фаз а и в, этому правилу не подчиняются: первичная а-фаза остается неизменной, а в-фаза распадается с образованием а-фазы. При низких температурах происходит дополнительное образование а-фазы, вследствие чего низкая температура отпуска ведет к более значительному уменьшению прочности и твердости и большему повышению пластичности, чем при высокотемпературном отпуске той же продолжительности. Это особенно заметно наблюдается в том случае, когда материал перед отпуском подвергается горячей обработке при температурах (a+в) -области. Однако этот процесс зависит от времени, так что материалу можно сообщить по сути дела одинаковые свойства как путем длительного отпуска при низких температурах, так и путем кратковременного отпуска при высоких температурах.
Гомогенизация и старение. Если титановый сплав закалить из в-области или из верхней части (а+в)-области и затем нагреть вновь до температур (а+в)-области, то принято говорить, что этот сплав подвергся гомогенизации и старению. Подобная обработка титановых сплавов приводит к тем же результатам, что и отпуск, если не считать того, что исходная структура в этом случае состоит преимущественно из в-фазы. Кратковременное старение обеспечивает максимальную твердость, обусловленную образованием в’-фазы. При более длительном старении эта в’-фаза распадается с выделением а-фазы, что приводит к снижению твердости и повышению пластичности.
Изотермическое превращение. При охлаждении сплава из в-области до температур (а+в)-области и выдержке при них в течение определенного времени с последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры происходит изотермическое превращение с выделением а-фазы из в-фазы. При высоких температурах а-фаза выделяется сначала по границам зерен в-фазы, а затем и внутри них самих. Если эту обработку проводить при температурах несколько ниже температуры превращения, то сначала вследствие образования в’-фазы получается весьма высокая твердость. Если же продолжительность выдержки увеличить, то твердость и прочность материала снижаются, а его пластичность и вязкость возрастают. При более низких температурах происходит постепенное повышение твердости и хрупкости, причем при длительных выдержках можно достичь более высокой твердости, чем при кратковременной высокотемпературной термообработке. Однако при достаточно большой выдержке в случае низкого отпуска вследствие повышенного содержания а-фазы достигается лучшая пластичность за счет прочности.
Непрерывное охлаждение. Непрерывное охлаждение представляет собой понижение температуры сплава из в-области с любой скоростью без остановок или повторных нагревов. Уже рассматривавшаяся выше закалка представляет собой особый вид непрерывного охлаждения. Скорость охлаждения определяет продолжительность прохождения интервала превращения. Высокие скорости охлаждения подавляют образование а-фазы и способствуют более или менее полному сохранению в-фазы, что приводит к получению сравнительно твердого материала. Несколько меньшие скорости охлаждения дают значительно более твердый и хрупкий материал со структурой в’-фазы. Малые скорости охлаждения приводят к образованию двухфазной структуры. Чем меньше скорость охлаждения, тем больше образуется а-фазы, что сопровождается повышением пластичности и вязкости с одновременным снижением твердости. Хотя может показаться, что одинаковые свойства достижимы термообработкой различных видов за счет выбора температуры и продолжительности операций, в действительности же существуют некоторые режимы термической обработки для определенных составов сплавов, дающие оптимальные свойства готового продукта.
Когда от материала требуется высокая твердость, его следует подвергать такой термообработке, которая обеспечивает достижение вершины кривой на диаграмме. Наивысшая твердость всего образца лучше всего получается закалкой малолегированного сплава (область слева от вершины кривой) с последующим низкотемпературным отпуском, обеспечивающим достижение вершины кривой. Этот способ позволяет значительно изменять состав сплава благодаря возможности выбора температуры отпуска. Если продолжительность отпуска сделать больше требующейся для получения максимальной твердости, то можно получить материал с достаточно высокой твердостью и известной пластичностью, т. е. структуру, лежащую после отпуска справа от вершины кривой.
Когда важно получить вязкий материал, то следует взять низколегированный сплав (область справа на диаграмме) и подвергнуть его закалке с температуры несколько ниже линии в-превращения. Такая обработка дает низкий предел текучести, но обеспечивает высокое сопротивление удару. Предел текучести этих сплавов можно несколько повысить, если их обработать до закалки в горячем состоянии в (a+в) области.
Наибольшее применение получил материал с умеренной прочностью, но хорошими пластичностью и вязкостью. Эти свойства наилучшим образом достигаются при применении сплавов, которые в результате закалки ложатся на правой ветви кривой недалеко от пика максимальной твердости. Окончательные свойства сплава зависят от того, насколько далеко вправо от вершины кривой переместился сплав при термообработке. Хорошие свойства материалу придают умеренные скорости охлаждения, достигаемые охлаждением на воздухе. Изотермическое превращение при низких температурах дает такие же результаты; продолжительность выдержки определяет степень понижения прочности и повышения вязкости. Гомогенизация с последующим старением также повышает вязкость за счет снижения прочности. Указывают, что горячая обработка давлением и гомогенизация в (а+в) области позволят еще больше улучшить механические свойства сплавов.
Характер термообработки можно выбирать по своему усмотрению, однако продолжительность операции и температура будут в этом случае определяться составом сплава. Термообработке не поддаются только нелегированный титан и его двойные сплавы с алюминием.

Читайте также  Какой шуруповерт выбрать для домашних работ?

Закалка металла в домашних условиях: закаливаем сталь правильно

Если знать, как закалить металл правильно, то даже в домашних условиях можно повысить твердость изделий из него в два-три раза. Причины, по которым возникает необходимость в этом, могут быть самыми разными. Такая технологическая операция, в частности, требуется в том случае, если металлу надо придать твердость, достаточную для того, чтобы он мог резать стекло.

Закалка металла в домашних условиях

Чаще всего закалить надо режущий инструмент, причем выполняется термическая обработка не только в том случае, если надо увеличить его твердость, но также и тогда, когда данную характеристику требуется уменьшить. Когда твердость инструмента слишком мала, его режущая часть будет заминаться в процессе эксплуатации, если же она высока, то металл будет крошиться под воздействием механических нагрузок.

Немногие знают, что существует простой способ, позволяющий проверить, насколько хорошо закален инструмент из стали, не только в производственных или домашних условиях, но и в магазине, при покупке. Для того чтобы выполнить такую проверку, вам потребуется обычный напильник. Им проводят по режущей части приобретаемого инструмента. Если тот закалили плохо, то напильник будет как будто прилипать к его рабочей части, а в противоположном случае – легко отходить от тестируемого инструмента, при этом рука, в которой находится напильник, не будет чувствовать на поверхности изделия никаких неровностей.

Зависимость твердости стали от режима термобоработки

Если все же так вышло, что в вашем распоряжении оказался инструмент, качество закалки которого вас не устраивает, переживать по этому поводу не стоит. Решается такая проблема достаточно легко: закалить металл можно даже в домашних условиях, не используя для этого сложного оборудования и специальных приспособлений. Однако следует знать, что закалке не поддаются малоуглеродистые стали. В то же время твердость углеродистых и инструментальных стальных сплавов достаточно просто повысить даже в домашних условиях.

Технологические нюансы закалки

Закалка, которая является одним из типов термической обработки металлов, выполняется в два этапа. Сначала металл нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Различные металлы и даже стали, относящиеся к разным категориям, отличаются друг от друга своей структурой, поэтому режимы выполнения термической обработки у них не совпадают.

Режимы термообработки некоторых цветных сплавов

Термическая обработка металла (закалка, отпуск и др.) может потребоваться для:

  • его упрочнения и повышения твердости;
  • улучшения его пластичности, что необходимо при обработке методом пластической деформации.

Закаливают сталь многие специализированные компании, но стоимость этих услуг достаточно высока и зависит от веса детали, которую требуется подвергнуть термической обработке. Именно поэтому целесообразно заняться этим самостоятельно, тем более что сделать это можно даже в домашних условиях.

Если вы решили закалить металл своими силами, очень важно правильно осуществлять такую процедуру, как нагрев. Этот процесс не должен сопровождаться появлением на поверхности изделия черных или синих пятен. О том, что нагрев происходит правильно, свидетельствует ярко-красный цвет металла. Хорошо демонстрирует данный процесс видео, которое поможет вам получить представление о том, до какой степени нагревать металл, подвергаемый термической обработке.

В качестве источника тепла для нагрева до требуемой температуры металлического изделия, которое требуется закалить, можно использовать:

  • специальную печь, работающую на электричестве;
  • паяльную лампу;
  • открытый костер, который можно развести во дворе своего дома или на даче.

Закалка ножа на открытых углях

Выбор источника тепла зависит от того, до какой температуры надо нагреть металл, подвергаемый термической обработке.

Выбор метода охлаждения зависит не только от материала, но также от того, каких результатов нужно добиться. Если, например, закалить надо не все изделие, а только его отдельный участок, то охлаждение также осуществляется точечно, для чего может использоваться струя холодной воды.

Технологическая схема, по которой закаливают металл, может предусматривать мгновенное, постепенное или многоступенчатое охлаждение.

Быстрое охлаждение, для которого используется охладитель одного типа, оптимально подходит для того, чтобы закаливать стали, относящиеся к категории углеродистых или легированных. Для выполнения такого охлаждения нужна одна емкость, в качестве которой может использоваться ведро, бочка или даже обычная ванна (все зависит от габаритов обрабатываемого предмета).

Охлаждение заготовки ножа в масле

В том случае, если закалить надо стали других категорий или если кроме закалки требуется выполнить отпуск, применяется двухступенчатая схема охлаждения. При такой схеме нагретое до требуемой температуры изделие сначала охлаждают водой, а затем помещают в минеральное или синтетическое масло, в котором и происходит дальнейшее охлаждение. Ни в коем случае нельзя использовать сразу масляную охлаждающую среду, так как масло может воспламениться.

Для того чтобы правильно подобрать режимы закалки различных марок сталей, следует ориентироваться на специальные таблицы.

Режимы термообработки быстрорежущих сталей

Режимы термической обработки легированных инструментальных сталей

Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Как закалить сталь на открытом огне

Как уже говорилось выше, закалить сталь можно и в домашних условиях, используя для нагрева открытый костер. Начинать такой процесс, естественно, следует с разведения костра, в котором должно образоваться много раскаленных углей. Вам также потребуются две емкости. В одну из них надо налить минеральное или синтетическое масло, а в другую – обычную холодную воду.

Для того чтобы извлекать раскаленное железо из костра, вам понадобятся кузнечные клещи, которые можно заменить любым другим инструментом подобного назначения. После того как все подготовительные работы выполнены, а в костре образовалось достаточное количество раскаленных углей, на них можно уложить предметы, которые требуется закалить.

По цвету образовавшихся углей можно судить о температуре их нагрева. Так, более раскаленными являются угли, поверхность которых имеет ярко-белый цвет. Важно следить и за цветом пламени костра, который свидетельствует о температурном режиме в его внутренней части. Лучше всего, если пламя костра будет окрашено в малиновый, а не белый цвет. В последнем случае, свидетельствующем о слишком высокой температуре пламени, есть риск не только перегреть, но даже сжечь металл, который надо закалить.

Цвета каления стали

За цветом нагреваемого металла также необходимо внимательно следить. В частности, нельзя допустить, чтобы на режущих кромках обрабатываемого инструмента появлялись черные пятна. Посинение металла свидетельствует о том, что он сильно размягчился и стал слишком пластичным. Доводить до такого состояния его нельзя.

После того как изделие прокалится до требуемой степени, можно приступать к следующему этапу – охлаждению. В первую очередь, его опускают в емкость с маслом, причем делают это часто (с периодичностью в 3 секунды) и как можно более резко. Постепенно промежутки между этими погружениями увеличивают. Как только раскаленная сталь утратит яркость своего цвета, можно приступать к ее охлаждению в воде.

Цвета побежалости стали

При охлаждении водой металла, на поверхности которого остались капельки раскаленного масла, следует соблюдать осторожность, так как они могут вспыхнуть. После каждого погружения воду необходимо взбалтывать, чтобы она постоянно оставалась прохладной. Получить более наглядное представление о правилах выполнения такой операции поможет обучающее видео.

Есть определенные тонкости при охлаждении закаливаемых сверл. Так, их нельзя опускать в емкость с охлаждающей жидкостью плашмя. Если поступить таким образом, то нижняя часть сверла или любого другого металлического предмета, имеющего вытянутую форму, резко охладится первой, что приведет к ее сжатию. Именно поэтому погружать такие изделия в охлаждающую жидкость необходимо со стороны более широкого конца.

Для термической обработки особых сортов стали и плавки цветных металлов возможностей открытого костра не хватит, так как он не сможет обеспечить нагрев металла до температуры 700–9000. Для таких целей необходимо использовать специальные печи, которые могут быть муфельными или электрическими. Если изготовить в домашних условиях электрическую печь достаточно сложно и затратно, то с нагревательным оборудованием муфельного типа это вполне осуществимо.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Муфельная печь, которую вполне возможно сделать самостоятельно в домашних условиях, позволяет закалить различные марки стали. Основным компонентом, который потребуется для изготовления этого нагревательного устройства, является огнеупорная глина. Слой такой глины, которой будет покрыта внутренняя часть печи, должен составлять не более 1 см.

Схема камеры для закалки металла: 1 — нихромовая проволока; 2 — внутренняя часть камеры; 3 — наружная часть камеры; 4 — задняя стенка с выводами спирали

Для того чтобы придать будущей печи требуемую конфигурацию и желаемые габариты, лучше всего изготовить форму из картона, пропитанного парафином, на которую и будет наноситься огнеупорная глина. Глина, замешанная с водой до густой однородной массы, наносится на изнаночную сторону картонной формы, от которой она сама отстанет после полного высыхания. Металлические изделия, нагреваемые в таком устройстве, помещаются в него через специальную дверцу, которая тоже изготавливается из огнеупорной глины.

Камеру и дверцу устройства после просушки на открытом воздухе дополнительно просушивают при температуре 100°. После этого их подвергают обжигу в печи, температуру в камере которой постепенно доводят до 900°. Когда они остынут после обжига, их необходимо аккуратно соединить друг с другом, используя слесарные инструменты и наждачную шкурку.

Глиняный нагреватель с замурованной нихромовой спиралью

На поверхность полностью сформированной камеры наматывают нихромовую проволоку, диаметр которой должен составлять 0,75 мм. Первый и последний слой такой намотки необходимо скрутить между собой. Наматывая проволоку на камеру, следует оставлять между ее витками определенное расстояние, которое тоже надо заполнить огнеупорной глиной, чтобы исключить возможность короткого замыкания. После того как слой глины, нанесенный для обеспечения изоляции между витками нихромовой проволоки, засохнет, на поверхность камеры наносится еще один слой глины, толщина которого должна составлять примерно 12 см.

Готовая камера после полного высыхания помещается в корпус из металла, а зазоры между ними засыпаются асбестовой крошкой. Для того чтобы обеспечить доступ к внутренней камере, на металлический корпус печи навешиваются дверцы, отделанные изнутри керамической плиткой. Все имеющиеся зазоры между конструктивными элементами заделываются при помощи огнеупорной глины и асбестовой крошки.

Готовая самодельная камера

Концы нихромовой обмотки камеры, к которым необходимо подвести электрическое питание, выводятся с задней стороны ее металлического каркаса. Чтобы контролировать процессы, происходящие во внутренней части муфельной печи, а также замерять температуру в ней при помощи термопары, в ее передней части необходимо выполнить два отверстия, диаметры которых должны составлять 1 и 2 см соответственно. С лицевой части каркаса такие отверстия будут закрываться специальными стальными шторками. Самодельная конструкция, изготовление которой описано выше, позволяет в домашних условиях закаливать слесарные и режущие инструменты, рабочие элементы штампового оборудования и др.

Самостоятельное изготовление такой печи (как и закалочного оборудования другого типа) позволяет не только получить в свое распоряжение устройство, полностью соответствующее вашим потребностям, но и хорошо сэкономить, так как серийные модели стоит достаточно дорого.

3 способа самостоятельной закалки металла

Расскажем о трех способах закалки металла в домашних условиях, охлаждении и контроле качества. Как правильно провести закалку стали в масле и на открытом огне. Какое масло выбрать. Особенности закалки алюминия и меди.

Читайте также  Как состарить железо 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

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.

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

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.

Изготовление камеры для закаливания металла

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.

Как самостоятельно провести отпуск

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.

Проверка качества закалки

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.

Особенности закалки алюминия

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.

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.

Поговорим о титане или все что Вы хотели спросить.

Титан – блестящий металл серебристого цвета, легко поддающийся различным видам обработки – сверлению, точению, фрезерованию, шлифованию. При распиловке, сверлении и фрезеровании титана необходимо постоянно применять охлаждающую смазку, при этом на инструмент сильно надавливать нельзя; титан не поддается пайке, но хорошо куется (и в горячем, и в холодном состоянии), перед волочением титановой проволоки необходимо осуществить ее отжиг. Он обладает высокой прочностью, имеет низкую плотность, является достаточно легким.

Читайте также  Пайка алюминия в домашних условиях паяльником

По коррозионной стойкости титан сравним с драгоценными металлами.

В последнее время в зарубежных странах из титана изготовляют широкий ассортимент самых разнообразных ювелирных украшений. Титан стал привлекательным для изготовления украшений благодаря интересным цветовым эффектам, образующимся на его поверхности при нагревании.

Явление это объясняется тем, что при нагревании на поверхности титана образуется окисный слой, поглощающий определенное количество света, и только оставшаяся часть его отражается в виде спектрального цвета, который нами воспринимается.

С повышением температуры отжига пропорционально увеличивается слой окиси. С увеличением толщины окисной пленки света поглощается больше и образуется четко разграниченная гамма цветов побежалости, начиная от светло-желтого (в тонком слое поглощается мало света) до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего (толстый слой отражает лишь незначительную часть света).

При изготовлении, например, браслета один конец полосы нагревается узким горячим пламенем: образующийся сначала желтый тон медленно, что позволяет наблюдать за ним, проходит по всей длине полосы, за ним же следуют зеленоватые, фиолетовые и синие тона.

Примечательно, что при высокой температуре отжига титан еще раз окрашивается в желтый цвет. Если окрашенную таким образом полосу изогнуть в кольцо, то оба конца желтого цвета будут отличаться по интенсивности. Таким же методом можно изготавливать пластины для брошей и подвесок.

Цветовой эффект на титановой пластине можно усилить последующим травлением, для чего обычным образом наносится защитный лак и выскабливается рисунок, а затем осуществляется травление в холодном растворе плавиковой кислоты. После травления между цветами побежалости проявляется серый цвет металла, удачно дополняя и подчеркивая многоцветность всей поверхности.

Термическое оксидирование можно осуществить с помощью муфельной печи или обычной горелки.

Сначала титан приобретает первый цвет – золотистый. С ростом температуры появляются разнообразные оттенки: от светло-желтого до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего. Для получения на поверхности специальных эффектов можно использовать различные тонизирующие присадки, придающие изделиям очень красивый угольно-серый цвет.

Пламенное окрашивание выполняется с помощью газовой горелки, которая в этом случае становится кистью художника. Поскольку точный контроль цвета невозможен, то полагаться следует на собственный художественный вкус и подход. В работе пригодна любая горелка, так как высокие температуры здесь не требуются; большое, мягкое пламя может дать участки ровного цвета, а маленький горячий язычок – радугу цветов. Пламенное окрашивание можно произвести также в стандартной муфельной печи. Поместив украшения в печь всего на несколько минут, можно получить золотой, пурпурный и синий цвета. Температура нагрева и время пребывания изделий в печи в каждом конкретном случае зависит от размера и толщины украшения. Этим методом можно получить и одноцветные краски.

Более точно окраску титана можно выполнить электролитическим методом окисления. В зависимости от используемого напряжения можно получать слои различной толщины и, следовательно, различные оттенки: желтый, темно-синий, голубой, фиолетовый, сине-зеленый. Если на одном изделии необходимо получить несколько цветовых оттенков, то пластина обрабатывается сначала при самом низком напряжении, а затем участок, на котором остается данный оттенок, закрывается, а обработка остальной поверхности продолжается таким же образом, но уже при более высоком напряжении.

Обработку можно производить и в другой последовательности: сначала прикладывается самое высокое напряжение, обработанный участок закрывается, а все остальное обрабатывается пескоструйным аппаратом. Цветные слои, получаемые электролитическим способом, можно сделать блестящими, а также белыми, для чего соответствующие участки также закрываются, а другие подвергаются обработке пескоструйным устройством, или же на них наносится защитный лак и выполняется травление плавиковой кислотой.

Распиловка, сверление, волочение и пайка титана.

Титан в некоторых случаях ведет себя иначе, чем обычно применяемые в ювелирном деле металлы.

При распиловке титана ножовкой сначала делается легкий надрез, и лишь после того, как ножовочное полотно захватило металл, можно увеличить силу нажатия.

Титан можно обрабатывать обычными напильниками, не сильно надавливая при этом, в противном случае насечка напильника забивается, и он «засаливается», отчего время от времени его необходимо прочищать.

При сверлении полагается пользоваться смазкой и помнить, что сверло быстро затупляется, а потому требуется новая заточка. При фрезеровании инструмент подвергается большим нагрузкам, поэтому его нужно обязательно охлаждать маслом. Токарную обработку, чтобы резец не затуплялся быстро, следует выполнять при низком числе оборотов детали; рекомендуется обработка алмазными и керамическими шлифовальными кругами.

Титан поддается обработке давлением, но в этом случае следует часто производить промежуточный отжиг, потому что он быстро нагартовывается. При прокатке необходимо большое усилие.

При волочении проволоки целесообразно сначала произвести ее отжиг – в этом случае смазка (масло или мыло) лучше ложится на окисную пленку; отжиг следует производить и после «прохождения» каждой третьей фильеры. При температуре 650-950°С можно производить горячую ковку титана, его можно обрабатывать также и в холодном состоянии – в этом случае он лучше поддается растяжению, чем сжатию.

Титан не поддается пайке ни мягким, ни твердым припоем, а сварка его производится только в среде защитного газа. Ювелир может соединять титановые детали и только механическим способом, например, клепкой. Как и все другие металлы, титан можно склеивать, если при этом соединяемые поверхности достаточно большие.

Поверхностная обработка титана производится сначала наждачной бумагой различной зернистости, а затем полировальной; блестящая поверхность получается лучше всего с помощью пасты из окиси никеля или шлифовальных средств для благородных металлов.

Для подготовки поверхности изделия из титана под окраску рекомендуется слегка ее протравить: изделие на мгновение опускается в 2 %-й раствор плавиковой кислоты, затем промывается, а потом обрабатывается обычным травильным раствором серной кислоты.

Используемые материалы: ХУДОЖЕСТВЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЮВЕЛИРНЫЕ СПЛАВЫ: УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ . Автор/создатель: Мутылина И.Н.

Краткое введение термической обработки титанового и титанового сплавов

Титан и титановый сплав обладают идеальным соотношением прочности и веса, хорошей ударной вязкостью и коррозионной стойкостью. Титановый сплав в основном используется для изготовления деталей компрессоров авиационных двигателей и конструктивных элементов ракетных и высокоскоростных самолетов. В середине 1960-х титан и его сплавы использовались в общей промышленности для изготовления электродов для электролитической промышленности, конденсаторов для электростанций, нагревателей для нефтепереработки и опреснения, а также устройств контроля загрязнения окружающей среды, а также материалов для хранения водорода и памяти формы. сплавы.

В настоящее время годовая производственная мощность титановый сплав в мире достигло более 40,000 тонн, с почти 30 сортов титанового сплава. При обработке тепла примеси, такие как водород, кислород, азот и углерод, легко абсорбируются. Из-за плохой обрабатываемости трудно и сложно вырезать и перерабатывать Ti и его сплав. Отжиг применяется для устранения внутреннего напряжения, улучшения пластичности и оптимальной комбинации пластичности, обрабатываемости, а также мерной и структурной стабильности. Общепринятые методы термообработки титанового сплава, включая полный отжиг, раствор и обработку старения. Кроме того, принимаются двойной отжиг, изотермический отжиг, обработка дегидрированием, термообработка деформации и другие процессы термической обработки металлов.

Полный отжиг 1

Отжиг титана и титановых сплавов служит в первую очередь для повышения вязкости разрушения, пластичности при комнатной температуре, размерной и термической стабильности и сопротивления ползучести. Обычно сплавы β и α + β полностью отжигаются и используются в качестве окончательной термообработки.

  1. Полный отжиг α (альфа) титанового сплава в основном представляет собой рекристаллизацию. Температуру отжига обычно выбирают в зоне альфа-фазы и температуре перехода (α + β) / β-фазы в диапазоне от 120 до 200 ℃. Если температура слишком низкая, это вызовет неполную перекристаллизацию или окисление и крупные зерна, если она будет слишком высокой.
  2. Температура полного отжига почти расширенного титанового сплава и звериного титанового сплава была выбрана с точки зрения первой фазы и ниже точки зрения второго фазового перехода первой фазы. В процессе отжига происходит не только рекристаллизация ткани, но и изменения в составе, количестве и форме α- и β-фаз.
  3. β (бета) Отжиг. Бета-отжиг проводят при температурах выше β-транса отжигаемого сплава. Чтобы предотвратить чрезмерный рост зерна, температура для β-отжига должна быть лишь немного выше, чем β-транс. Время отжига зависит от толщины разреза и должно быть достаточным для полной трансформации. В связи с тем, что сплав малтитана может быть усилен путем термообработки, а его прочность улучшается после отжига, на самом деле это своего рода обработка твердым раствором.

2 Усилие снятия напряжения

Для устранения внутренних напряжений, возникающих при обработке давлением, механической обработке и сварке, для предотвращения химической эрозии и уменьшения деформации в некоторых агрессивных средах. Титановый сплав должен пройти отжиг для снятия напряжений. Температура отжига под напряжением ниже температуры рекристаллизации, как правило, 450

650 ℃. Время растворения составляет соответственно 0.25

4 часа для промышленного чистого титана, 0.5

2 часа для механических деталей и 2

12 часов для сварки деталей, которые затем охлаждаются на воздухе.

Обработка и старение раствора 3

Для повышения прочности титановый сплав с α- и стабильной β-фазами нельзя подвергать интенсивной термической обработке. Твердый раствор и обработка старением должны быстро охладиться из высокотемпературной области, чтобы получить более высокое содержание β-фазы. Это разделение фаз поддерживается за счет закалки; при последующем старении происходит разложение нестабильной β-фазы, что обеспечивает высокую прочность для упрочнения сплава.

Двойной отжиг 4

Двойной отжиг улучшает пластичность и ударную вязкость двухфазного сплава и стабилизирует микроструктуру. Температура первого отжига выше или близка к температуре рекристаллизации, так что процесс рекристаллизации полностью выполняется, а затем происходит охлаждение на воздухе. Поскольку ткань недостаточно стабильна после отжига, необходим второй отжиг, который затем нагревают до более низкой температуры и выдерживают в течение длительного времени, чтобы оптическая фаза полностью разложилась и агрегировалась, чтобы гарантировать стабильность ткани. Двойной отжиг также может быть использован для титанового сплава Gr5.

Изотермический отжиг 5

Подходит для сплава α + β Ti. Из-за высокого содержания стабильной β-фазы трудно полностью разложиться при охлаждении воздухом для получения удовлетворительного эффекта размягчения при полном отжиге. Поэтому часто применяют изотермический отжиг. Нагревают титановый сплав до точки фазового перехода (альфа + бета) / бета ниже 30

80 ℃, а затем охлаждают в печи или удаляют артефакт до температуры ниже изотермической температуры превращения 300

400 ℃ за период времени, а затем охлаждение на воздухе . Изотермический отжиг может улучшить пластичность и термическую стабильность титановой пластины.

Процесс дегидрирования 6

Процесс дегидрирования направлен на устранение водородной хрупкости. Дегидрирование проводится в вакуумной печи, где тепло вызывает выделение водорода из сплава Ti, также известное как вакуумный отжиг. Температура отжига составляет 540

760 ℃, время выдержки 2

4 часа после охлаждения на воздухе, степень вакуума в вакуумной печи не превышает 1.33 Па. Комбинации времени и температуры для обработки раствора приведены в таблице ниже.