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 диаграме 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, на АШ, 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.