Высокопрочные стали и особенности их сварки

Высокопрочные стали и особенности их сварки

Стали с пределом прочности свыше 1500 МПа называются высокопрочными. Такой предел достигается подбором химического состава и наиболее подходящей термической обработкой. Данный уровень прочности может образовываться в среднеуглеродистых легированных сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) путем использования закалки с низким отпуском (при 200…250оС). Легирование таких сталей W, Mo, V затрудняет разупрочняющие процессы, что снижает порог хладоломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Как варить металл, если перед вами высокопрочная сталь? Сварка высокопрочных сталей отличается использованием некоторых дополнительных технологических приемов (сварка каскадом, горкой, секциями, предварительный подогрев, применение мягкой прослойки и других).

Изотермическая закалка среднеуглеродистых легированных сталей придает им немного меньшую прочность, но большую вязкость и пластичность. Поэтому они более надежны в эксплуатации, чем низкоотпущенные и закаленные. Низкоотпущенные и закаленные среднеуглеродистые стали с высоким уровнем прочности обладают повышенной восприимчивостью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению. Из-за этого их рекомендуют использовать для работы, связанной с плавным нагружением.

К высокопрочным сталям можно отнести так называемые рессорные (пружинные) стали. Они содержат 0,5…0,75% С и дополнительно легируются другими элементами. Термообработка легированных рессорных сталей (закалка 850…880оС, отпуск 380…550оС) обеспечивает получение высокой прочности и текучести. Может применяться изотермическая закалка. Сварка рессорной стали выполняется с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварочных работ и дальнейшей термической обработкой.

Мартенситно-стареющие стали (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) также относятся к высокопрочным сталям. Они превосходят среднеуглеродистые легированные стали по конструкционной прочности и технологичности. Для таких сталей характерны высокое сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладоломкости и малая чувствительность к надрезам при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали являются безуглеродистыми сплавами железа с никелем и дополнительно легированы молибденом, кобальтом, алюминием, хромом, титаном и другими элементами. Эти стали имеют высокую конструкционную прочность в диапазоне температур от криогенных до 500оС и применяются в изготовлении стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов ракетных двигателей, зубчатых колес, шпинделей и так далее.

Почему именно рессора автомобиля?

Во-первых, благодаря «идеальности» наших дорог, этот элемент ходовой часто приходил в негодность, поэтому и славился своей доступностью, и его часто можно было встретить на дорогах и в гаражах простых граждан.

Во-вторых, в конструкции рессоры используется несколько листов углеродистой стали. Вот из этих листов в домашних условиях можно было изготовить множество ножей.

В-третьих, рессорная сталь обладает высокой эластичностью, поэтому ее обработка возможна для всех желающих, имеющих минимальный набор инструментов и приспособлений.

Применение рессорной стали

65Г считается одной из самых дешевых пружинных сталей. При этом она обладает рядом уникальных свойств, делающих ее незаменимой для создания пружин. Рессорная сталь для ножа содержит хром, никель, марганец, кремний. Эти элементы придают свойства, за которые изготовителями выбирается именно этот материал:

• хорошая гибкость;
• высокая ударная вязкость;
• твёрдость;
• износостойкость;

Термообработка играет большую роль в улучшении качеств материала. Сталь становится прочнее, повышается ее твердость. К сожалению, она недостаточно устойчива к коррозии – имеет обыкновение ржаветь. Но достоинства перевешивают недостатки и ее часто используют как материал для клинка.

Такие ножи применяют в самых разных сферах. В первую очередь в качестве кухонных – крепкие, прочные, долговечные – что ещё нужно для ежедневной работы на кухне и, например, для разделки мяса? Те же соображения заставляли охотников, рыбаков и туристов стараться заполучить в свой арсенал эту качественную «самоделку». Поэтому многие мастера делали на продажу туристические и охотничьи ножи.

Благодаря хорошим характеристикам стали, эти ножи были популярны среди военных. Солдаты срочной службы, имевшие доступ к инструментам для металлообработки, в кустарных условиях изготавливали армейские ножи.Со временем, изготовители начали замахиваться на более серьёзные изделия: топоры, мечи, мачете, катаны. Из-за хорошей ударной вязкости рессорные стали прекрасно подходят для ковки. Ковкой можно изготовить клинок любой формы, даже самой причудливой.

Правила качественной закалки

Существует еще несколько несложных правил, которые позволяют сделать закалку ножа в домашних условиях максимально качественной.

1. Прежде чем приступать к поверхностной или глубокой закалке ножа, изготовленного из определенной марки стали, можно подобрать режимы выполнения такой технологической операции, воспользовавшись пластинками, выполненными из такого же материала. Первую пластинку используют, чтобы более точно подобрать требуемую температуру нагрева. Для этого металлическую пластину необходимо нагреть неравномерно: одну часть – до максимальной температуры, вторую – до минимальной. Затем нагретую пластину опускают в воду или масло и после полного остывания зажимают в тисках, ломают и смотрят на излом металла. Качественно закаленный металл, если температурный режим был подобран правильно, должен иметь крупнозернистую структуру.
2. Следующим этапом экспериментов с металлическими пластинками является подбор оптимальной охлаждающей среды. Используя различные охлаждающие среды (вода, масло, жидкий свинец и др.), закалите пластину до такого состояния, чтобы она, будучи зажатой в тисках, ломалась при отклонении в 30°. После этого необходимо выполнить отпуск пластины, также подбирая различные охлаждающие среды и температурные режимы. В результате такой операции вы должны добиться того, чтобы пластина, зажатая в тисках, ломалась при угле ее отклонения в 45°.
3. Чтобы избежать появления на лезвии закаливаемого ножа поверхностных трещин, изделие требуется предварительно отжечь. При выполнении такой технологической операции, для которой желательно использовать муфельную печь с регулятором температуры, надо придерживаться следующих правил: нагрев ножа выполняют как можно дольше, медленно и равномерно.

Следуя таким несложным рекомендациям, вы даже в домашних условиях сможете закалить нож правильно, получив в итоге прочный и долговечный инструмент с отличными режущими свойствами.

Особенности ножа из рессоры

Популярность ножей из рессорной стали объясняется доступностью и дешевизной. Материал обладает характеристиками необходимыми для качественных клинков:

• пластичностью;
• вязкостью;
• стойкостью к ударным нагрузкам;
• твердостью;
• износостойкостью.

Чаще всего делают нож из рессорной стали марки 65Г, из 50ХГСА и 50ХГА реже. Незначительные различия характеристик металлов не влияют на качество клинка. Независимо от марки рессорная сталь хорошо поддается термообработке. К недостаткам относится подверженность коррозии.

Особенности

Чтобы уяснить, как из рессоры сделать нож, обязательно нужно изучить особенности материала. Сталь имеет повышенную износостойкость, хорошие показатели пластичности, вязкости, стойкости к ударным нагрузкам. Перечисленные характеристики необходимы таким ножам, как охотничьи, туристические, армейские, кухонные и мачете.

Популярность изделий из рессоры также связана с доступностью материала – его можно найти практически в любом гараже. Для обработки понадобится минимум инструментов. Чаще всего клинки изготавливаются из стали 65Г, реже встречаются варианты из 50ХГСА и 50ХГА – разница между тремя вариантами будет незаметна и никак не отразится на свойствах изделия.

Свойства рессорной стали

Существует множество мнений о рессорах автомобилей родом из СССР. Якобы они являются реально хорошим материалом для клинка. Спорить бесполезно, проще узнать из какой марки стали состоит изделие. Бывалые металлурги утверждают, что рессорно-пружинная сталь включает в себя немало марок:

• пружины для железнодорожных вагонов и рессоры для автомобилей производят из: 50ХГ и 50ХГА, 50ХГФА;
• машиностроение, тракторостроение использует 55С2;
• сверхпрочные пружинные механизмы и рессоры изготавливают из55С2ГФ;
• детали наименее подверженные ударным нагрузкам используют 65Г.

Список довольно продолжительный и освящать весь нет смысла. Но отметить приблизительную сходность данных марок стали и по химсоставу, и по физическим свойствам, стоит.

Главным ориентиром создания таких изделий, является способность восстановления первоначальной формы, после различных нагрузок, т.е. – пружинить. Недопустима малейшая деструкция во время работы изделия. В соответствии с ГОСТом к подобным сплавам предъявляются завышенные требования.

Термическая обработка

Существует несколько режимов термической обработки этого типа стали. Любой из них выбирается в соответствии с производственными требованиями, которые предъявляются к готовому продукту. Чаще всего используется два метода термической обработки, которые гарантируют получение необходимых свойств с химической и физической точки зрения. К этим способам относят нормализацию и закалку с последующим отпуском.

При проведении термической обработки необходимо правильно выбрать параметры температуры, а также времени, которое нужны для проведения операции. Чтобы верно выбрать эти характеристики, следует отталкиваться от того, какая марка стали используется. Так как материал марки 65Г принадлежит к доэвтектидному типу, то в составе этого продукта содержится аустенит, представленный в виде твердой механической смеси с небольшим количеством феррита. Аустенит является более твердым материалом с точки зрения структуры, чем феррит. Поэтому для проведения термической обработки стали 65Г, необходимо создавать более низкий интервал закалочных температур. Учитывая этот факт, подобные показатели для этого вида металла составляют от 800 до 830 градусов по Цельсию.

Как ковать клинок из напильника

Подготовка материала

Изготавливая нож из напильника кузнечным способом, первое, что потребуется, это обжечь сталь. Процедуру делают следующим образом.

• Разжигают огонь в печи (не газовой!) и закладывают заготовку в очаг.
• Выдержать металл в огне примерно 4-5 часов.
• Дать остыть заготовке вместе с печью.

Это делается с целью отпустить металл, так как в инструментах он дополнительно закален и, если этого не сделать, при ковке возникнут напряжения в структуре.

Температура обжига должна составлять 600-700 градусов. Проверяют ее, посыпая заготовку солью: если она плавиться,значит, процесс идет правильно. Важно, чтобы металл раскалился равномерно по всей длине (одинаковый равномерный цвет).

После обжига температуру горения нужно уменьшать постепенно, после чего оставить заготовку в тлеющих углях до полного остывания (по времени около суток). Если остудить разогретый металл очень резко, то он попросту может растрескаться или даже раскрошиться.

Ковка

• Заготовку из напильника нужно поместить в горн и довести до требуемой ковочной температуры. Например, для марки стали 9ХС, она составляет верхний предел в 1180 градусов, нижний — 800.

Проверяем по цвету раскаленной заготовки, используя шкалу температур и окраски стали.

• Когда нагрев достигнет требуемого предела, заготовку клещами укладывают на наковальню и проковывают ее (обжимают). Всю поверхность нужно обжать за один нагрев.

• После металл разогревают и начинают формировать полосу приблизительно требуемой толщины.
• Спуски клинка можно будет сформировать после окончания ковки — на наждаке или применив болгарку. Однако, можно это сделать и ковкой, придав ножу нужное сечение в поперечнике.
• Заготовку опять нагревают и проковывают место, где будет рукоять — хвостовик. При этом нужно отступить немного меньше длины края полосы, примерно две трети от планируемой рукояти. При формовке хвостовика он вытянется и примет нужную протяженность.

• Также, вместе с хвостовиком, поковкой придают конфигурацию плечам клинка (место, где сходятся хвостовик и лезвие).

• По окончанию выкованный нож оставляют в горне до полного остывания.

Немного другая технология будет при изготовлении якутского ножа. Клинок нужно формировать полукруглого сечения, а после формируют дол с противоположной стороны.

Ковка ножа из подшипника более сложный технологический процесс для начинающего кузнеца. Но все будет зависеть от планируемых размеров клинка. Например, можно сделать неплохой нож при ковке из единственного ролика подшипника. Техника работ показана на видео:

Большие ножи можно сделать из стенок подшипника, предварительно распилив их и сковав вместе.

Когда ковка завершена, клинок стабилизируют, поместив его в очаг горна и оставив остывать там.

Планируя поковку ножа, можно изначально потренироваться на различных материалах. Например, можно взять полосу рессорной стали 65Г. Из нее также можно сделать хороший образец рабочего клинка, так как такая сталь довольно высокого качества, а ее объема будет достаточно для изготовления десятка различных ножей.

Некоторые специалисты рекомендуют перед поковкой ножей набить руку на ковке подков! При отработке такой технологии тренируются все те же кузнецкие приемы.

Попрактиковавшись, можно выковать практически любой клинок.

Если Вы можете поделиться своим опытом, оставьте свои комментарии или примите участие в обсуждении этого материала. Расскажите, какие материалы и приемы вы использовали при поковке ножей, а также какие типы приходилось изготавливать.