Привет всем, это будет заключительная часть роликов по несчастному китайскому напильнику, который в моих руках упорно не хотел становиться ножом и таки у него получилось...
Напомню, что в качестве подопытного был взят китайский напильник, купленный за 150р, марка стали на нем указана не была, но путем нехитрого структурного анализа было сделано заключение, что сталь представляет собой что-то вроде У12.
Ну да ладно, с механической обработкой у меня не задалось, но пост будет про термическую обработку - закалку и отпуск.
Для начала стоит отметить такую важную особенность стали типа У12, как ограниченная прокаливаемость, т.е. сталь может принимать высокую твердость на определенную глубину. По справочным данным при охлаждении в воду критический диаметр закалки составляет 10 - 12мм, в масло 4 - 6мм. У меня заготовка имеет максимальное сечение 3,5мм по этому решил начать с масла.
Температура нагрева составляет 790-810 градусов (для охлаждения в масле), приблизительное время выдержки брал как 50-80сек на 1 мм сечения для полного прогрева клинка и 60 сек. на протекание структурных превращений, всего вышло около 5 мин для моей заготовки. Довольно понятная формула для расчета времени имеется в учебнике "Металловедение" от А. П. Гуляева.
С температурой и временем разобрались, теперь помещаем клинок в печь, я установил его на небольшую опору плашмя и думаю, что так делать не стоит, т.к. сталь при температуре закалки относительно пластична, что может привести к деформации ножа, но у меня обошлось без этого (к примеру в одном из источников предлагалось при нагреве свёрл размещать их вертикально).
Время прошло, пора доставать нож из печи и переносить в закалочный бак, в качестве которого у меня литровый стакан с подогретым до 40 градусов индустриальным маслом И12 (подогретое масло имеет меньшую вязкость и охлаждает интенсивнее, чем холодное).
Стоит упомянуть, что с целью снижения деформации, вытянутые длинные изделия погружают в бак в вертикальном положении, как на фото ниже
Так как посудины побольше у меня под рукой не было, хвостовик предполагалось оставить незакаленным.
Видно, как в начале охлаждения масло вокруг клинка закипает, образующийся пар обволакивает заготовку, создавая "паровую рубашку" , препятствующую дальнейшему охлаждению. Затем уже паровая рубашка разрывается и охлаждение идет более интенсивно.
Напомню, что сталь типа У12 при закалке легко переохладить до нежелательного промежуточного превращения, результатом которого будет, к примеру, троостит в структуре с твердостью около 40 HRC. Так вот, чтобы подобного не произошло паровую рубашку нужно принудительно срывать с изделия помешивая его в масле. То, как перемещал клинок я - не правильно, его необходимо было двигать в вертикальном направлении и более активно, но ввиду размеров стакана...и да, перемещать клинок нужно было начать сразу, но мне хотелось посмотреть, что будет, если оставить остывать так.
Для того, чтобы оценить качество закалки я отрезал небольшой фрагмент от клинка и сделал поперечный шлиф (образец для исследования).
Фото структуры, полученной на микроскопе после травления стали специальным реактивом.
Теперь попытаюсь объяснить, что на фото. Верхняя часть, та что светлая - это закалившаяся зона со структурой мартенсита и твердостью порядка 66HRC (темные квадратики - это отпечатки твердости, полученные методом Виккерса), далее следует переходная зона с твердостью 57 HRC и структурой, состоящей из смеси мартенсита (светлый) и троостита (темный), ну и бОльшая часть закалку не приняла, имеет твердость порядка 40 HRC и структуру троостита.
Получившийся результат меня не очень устроил и было решено перезакалить. Для этого перед повторной закалкой необходимо было сделать высокий отпуск при температуре 650-680 градусов и продолжительностью 2-3 часа, цель - снизить риск растрескивания при последующем нагреве под закалку (закаленная сталь находится в структурно напряженном состоянии, а тут еще термические напряжения при повторном нагреве).
После высокого отпуска снова нагрев и охлаждение в том же стакане, но с более интенсивным помешиванием, результат ниже.
Уже лучше, но все же не то, что я хотел, полностью закалить не удалось. Думается, что все из-за недостаточного перемешивания при охлаждении (стакан с маслом маленький, особо не помешаешь, да и направление перемешивания не то), не удалось достичь требуемой скорости охлаждения. Хотя с другой стороны можно было оставить и так, лезвие на 7мм прокалилось, а обух остался мягким.
Ну и куда же без всеми любимого теста с царапанием бутылки, одного замера твердости и анализа структуры не достаточно, бутылку в студию!
Видно, что обух совсем не царапает, да и режущая часть не так, чтобы сильно вгрызалась в стекло, хотя по замерам твердость около 66 HRC, или я как-то не так царапал, или со стеклом не все в порядке, есть мысли?
Дальше уже появился спортивный интерес закалить все таки этот нож полностью. Так как запасов масла было мало, я решил развести ведро 10% водного раствора кальцинированной соды, вместо соды можно взять соль (та, что NaCl). Почему не взял обычной воды? Раствор соды/соли дает более резкую и равномерную закалку, в воде создается устойчивая паровая рубашка, которую труднее сбить, она не только замедляет превращение, но и вызывает неравномерное охлаждение. Деформации и риск трещинообразования при охлаждении в содовом/солевом растворе ниже, чем при охлаждении в воде, но, естественно, выше, чем при охлаждении в масле.
Сделал еще один высокий отпуск по описанному выше режиму, подготовил раствор (температура 20 градусов) и клинок в печь, на этот раз температура нагрева составляет 770-790 градусов, так как охлаждение я буду производить в воде (при охлаждении в масло нагрев ведется до более высоких температур, что должно увеличить прокаливаемость).
При охлаждении в воду (по сравнению с маслом) клинок получает бОльшие напряжения, что и привело к деформации
Не стоило конечно перезакаливать в воду...но было интересно сравнить.
Как результат такой закалки - полностью прокалившийся нож.
В структуре виден мартенсит (мелкие иголочки) и карбиды (мелкие светлые точки).
По структуре можно понять, не было ли перегрева, который сопровождается снижением механических свойств.
Вот например фото из коллекции, структура перегретого при закалке дешевого китайского сверла из неизвестной стали, огромные иголки мартенсита, белые поля остаточного аустенита (что логично, так как высокий нагрев повышает стабильность аустенита и его больше остается при охлаждении).
Если нет под рукой микроскопа и твердомера, то качество закалки можно оценить по излому, если изделие ломать не вариант, то можно закалить вместе с образцом-свидетелем и ломать уже его. Вот какой излом получился у меня, матово-серый, однородный, мелкозернистый
Наличие в изломе заметной крупнозернистости и блеска будет признаком перегрева, как например на фото ниже (видно, как растет зерно, правая часть подвергалась более высокому нагреву, чем левая).
Завершающим этапом термической обработки будет отпуск, призванный снизить закалочные напряжения и повысить механические свойства - прочность, пластичность. Проводить отпуск рекомендуется не позднее 30-60 минут после закалки, чтобы снизить риск растрескивания из-за закалочных напряжений.
Я нагревал клинок до 180 градусов и выдерживал в печи 1 час, снятие напряжений при этой температуре происходит главным образом в первые 30-60минут, крупным изделиям назначают более длительные выдержки. Твердость после отпуска получилась 63 HRC, что хорошо, так как высокая износостойкость режущей кромки сохраняется при твердости не менее 60 HRC.
Прикреплю сюда пару скринов из учебника для желающих самостоятельно выбрать температуру отпуска и получить другие характеристики изделия.
В общем текста вышло много, кто дочитал молодец, кто нет - тоже. Спасибо за внимание, ну и на последок оставлю ссылку на ролик с моими мучениями, в котором я ртом пытаюсь объяснить все то, что написал здесь (пикабу упорно не хочет вставлять именно этот ролик, может еще заработает)
https://youtu.be/f_a_4Mr9Wyc
