Закаливание

Закаливание, операция, при помощи которой сравнительно мягкой стали и чугуну можно сообщить большую твердость. Для закаливания сталь нужно нагреть до известной температуры (критической температуры, различной для различных сортов стали, от 700°С до 900°С) и затем быстро охладить погружением в воду или в какую-нибудь другую охлаждающую среду. После такого температурного воздействия сталь, которая до закаливания была сравнительно мягка и могла быть изогнута, после закаливания становится очень твердой, и при попытке согнуть ее ломается. В таком состоянии сталь называется закаленной. Если закаленную сталь нагреть до температуры ниже той, при которой производился закал, и затем медленно или быстро охладить, то обработанную таким образом сталь уже можно будет согнуть, хотя согнутая сталь будет возвращаться к своей первоначальной форме — получит упругость; твердость, хотя и будет больше по сравнению с незакаленной сталью, но закал все-таки уменьшится. Сталь в таком состоянии называется отпущенной, а самая операция отпуском. Чем выше будет нагрета сталь при отпуске, тем более она потеряет закал. При нагревании чистая поверхность стали, вследствие образования окислов, получает окраску радужных цветов, начиная с желтого, который при постепенном нагреве переходит в другие цвета, до серого. Этим пользуются, чтобы судить о степени нагрева и степени отпуска.

Соответственно температуре различают следующие цвета отпуска стали: светло-желтый цвет, 220°-230°С, темно-желтый цвет, 240°, коричнево-желтый цвет, 255°С, коричнево-красный цвет, 265°С, пурпурово-красный цвет, 275°С, фиолетовый цвет, 285°С, синий цвет (цвет васильков), 295°С, светло-голубой цвет, 315°С, серый (зеленовато-серый цвет морской воды), 330°С.

Для уничтожения закала сталь нужно отжечь, то есть нагреть до температуры выше критической и затем очень медленно охладить. Явление закала объясняется тем, что при известной температуре (критической) происходит химическое и аллотропическое изменение составных частей стали (соединений железа с углеродом), и при температурах выше критических получаются соединения, отличающиеся большой твердостью. Если при охлаждении сталь быстро провести через критическую температуру, то образовавшееся строение не успеет перейти в другое, соответствующее незакаленной стали, и сталь сохранит закал — останется твердой. При отпуске строение несколько изменится, и тем больше, чем ближе мы подойдем к критической температуре. При отжиге сталь нагревается выше критической температуры и затем медленно проводится через эту температуру при охлаждении, вследствие чего сталь успевает изменить свое строение, и закал уничтожается. Таким образом, если мы сталь нагреем недостаточно сильно, закала не получим; с другой стороны, если углеродистую сталь будем нагревать до слишком высокой температуры, то этим мы можем испортить (пережечь) сталь (стали быстрорежущие, наоборот, требуют при закале нагрева почти до точки плавления). Из сказанного ясно, что для получения надлежащего закала очень важна температура нагрева; поэтому, раз установив надлежащую температуру нагрева, нужно всегда при закаливании ее поддерживать, а это достигается надлежащим устройством нагревательных печей и применением пирометров для наблюдения за температурами. Простой способ для определения критической температуры состоит в следующем. Берут стальной квадратный прут (15 мм в стороне) и делают на нем около 10 зарубок, на расстоянии 10 мм друг от друга. Пруток кладут в горн, чтобы жар действовал главным образом на первое деление, и нагревают до тех пор, пока не покажутся искры, указывающие на то, что сталь в первом делении горит, остальные деления будут иметь температуру постепенно понижающуюся. Нагретый до такого состояния пруток погружают быстро в воду, то есть производят закал. Если после этой операции произвести испытание стали напилком, то окажется, что первое деление обладает наибольшей твердостью, но в то же время оно очень хрупко, раздробляется на мелкие куски — сталь пережжена; твердость последующих делений сначала убывает, но потом опять возрастает, достигая в одном из делений почти такой же твердости, как и твердость первого деления, вместе с тем в этом месте сталь не хрупкая; это деление и было нагрето до надлежащей температуры. Если нагрев производить в полутемном помещении, то по цвету отдельных делений можно заметить, до какой температуры нужно нагревать сталь, чтобы получить надлежащий закал. Конечно, сразу трудно запомнить последовательные оттенки нагрева различных делений, но после первого нагрева уже будет известно, на какое место нужно обратить внимание, и, повторяя этот опыт, нетрудно выяснить надлежащую степень нагрева. В настоящее время устраиваются печи, в которых сталь нагревается в ванне расплавленных солей КСl и NaCl, температура плавления которых выше 700°С; при этом около нагреваемого предмета образуется корка, умеряющая быстроту нагревания, вследствие чего изделие нагревается более равномерно, что очень важно в тех случаях, когда закаливаются предметы, имеющие тонкие выступы на массивном теле (подробности см. в журнале «Engineering», 1904, Oct., р. 520; «American Machinist», 1905, р. 354, и 1909, р. 18). Операции закала и отпуска можно соединить в одну, а именно, если сталь нагреть выше критической температуры и затем быстро охладить, погружая в горячую жидкость (расплавленный свинец, масло), то сталь будет быстро проведена при охлаждении через критическую температуру — получится закал, а затем, находясь в горячей жидкости, сталь будет подогрета настолько, что получит некоторый отпуск. Такая совместная операция закалки и отпуска известна под названием отрицательного закала. При отрицательном закале сталь очень улучшает свои механические свойства — получается твердой и вязкой, а потому закал в масле весьма широко применяется при изготовлении пушек и броневых плит.

Чтобы чугуну сообщить закал, его отливают в металлические формы, причем он быстро отдает тепло, быстро остывает и, подобно стали, получает закал, то есть становится очень твердым. Так как энергичное охлаждение чугуна при этой операции происходит на поверхности, то и закал проникает лишь на известную глубину, не распространяясь на всю массу чугуна. Дальнейшее объяснение явлений, вызывающих закал, см. металлография, железоделательное производство, сталь и литейное дело.

А. Гавриленко.