Термообработка. Что? Как? Почему?

На острие клинка №6, 2020
Термообработка. Что? Как? Почему?

За последние 30 лет российский ножевой рынок прошёл большой путь. Но говорят, что история развивается по спирали. И иногда возникает необходимость вернуться к некоторым вечным для любителя ножей темам. Одной из таких тем является термообработка (далее сокращённо – ТО). В этой статье мы попробуем разобраться в том, что это такое, с чем это едят и какую роль ТО играет в формировании комплекса свойств ножа.

Как показывает наш опыт, два самых популярных вопроса при выборе ножа: «Из какой стали нож?» и «На какую твёрдость он закалён?» То есть даже неспециалист в глубине души понимает, что железки бывают разные, да и обработать их можно по-разному. Последнее, правда, очевидно не всем. И совсем не все знают, что твёрдость – отнюдь не единственное важное свойство, а закалка – это лишь один из видов термообработки. А сама она намного сложнее и шире.

Так что же такое термообработка? Уже из названия понятно, что этим термином описывается множество способов обработки материалов, основанных на изменении их структуры (и, соответственно, свойств) с помощью целенаправленного термического воздействия. Сама по себе ТО является неотъемлемой частью материаловедения определённого класса материалов (например, научная специальность 05.16.01 так и называется – «Металловедение и термическая обработка металлов»).

Огромное разнообразие используемых человечеством материалов и способов их обработки определяет широту и глубину данной области знаний. Некоторой проблемой является также то, что в разных отраслях науки и техники сформировался и разный понятийный аппарат, и принятые в промышленности термины часто отличаются от используемых в теории термической обработки (ТТО). В производстве ножей также сложилась своя, зачастую, мягко говоря, спорная терминология. В данной статье мы попробуем привести всё к общему знаменателю.

Термообработка. Что? Как? Почему?

В технологическом цикле производства ножей термообработка является завершающим этапом цикла горячего передела, к которому относятся выплавка, переплав(ы) – если используются, разливка (или распыление и компактирование для порошковых сталей), горячая деформация, предварительная и окончательная термообработка. ТО отвечает за формирование конечной структуры и комплекса свойств стали. Вместе с тем эволюция структуры происходит по всему циклу горячего передела, и далеко не все дефекты могут быть исправлены с помощью ТО.

Часто в применении к готовому изделию всё это называют «закалкой», хотя собственно закалка является лишь одним из этапов. Иногда, приплетая сюда ещё и горячую деформацию, всё это называют ТМО (термомеханической обработкой), что в большинстве случаев в корне неверно.

Обычно термообработка включает в себя несколько этапов (иногда – несколько десятков). Все они имеют разные цели и разные режимы. Путаницы добавляет ещё и то, что в теории термической обработки и на практике довольно часто отдельные процессы имеют разные названия в зависимости от цели и места в технологическом цикле. Вдаваться в дебри не будем, нам скорее важны основные этапы и их режимы с точки зрения влияния на конечный результат.

Вероятно, будет проще разобрать это на примере типичной технологии производства клинков (с указанием основных технологических процессов), применяемой подавляющим большинством российских (да и мировых тоже) производителей. Рассмотрим типичную схему, применяемую мастерами-частниками и мелкосерийным производителем:

(Ковка)

1) Нормализация (иногда + высокий отпуск).

(Вырезание бланков)

2) Отжиг или ТЦО.

3) Закалка из МКО.

4) Высокий отпуск.

5) Закалка.

6) Криообработка.

7) Результирующий отпуск.

(Черновое шлифование)

8) Отпуск после шлифования.

(Чистовое шлифование и доводка)

В случае если производится обработка резанием, могут быть дополнительные отпуски (или отжиги).

Термообработка. Что? Как? Почему?

Рассмотрим влияние отдельных этапов на свойства и качество изделий.

Нормализация (иногда + высокий отпуск) позволяет привести структуру стали «к общему знаменателю», от которого можно плясать дальше; снять напряжения; измельчить зерно; в отдельных случаях убрать карбидную сетку или получить необходимую для обработки твёрдость. Осуществляется в виде нагрева до температур выше температуры фазовых превращений (часто до температур, вызывающих заметное растворение карбидов) и охлаждения на спокойном воздухе. Многие стали при этом способны подкаливаться и получать высокую твёрдость – в этом случае добавляют высокий отпуск.

Отжиг или ТЦО позволяет измельчить зерно, снизить твёрдость до минимальных значений (для обработки резанием или холодной деформации), снять остаточные напряжения. Осуществляется нагревом до температур немного выше температур фазовых превращений (в отдельных случаях – в межкритическую область) и медленным охлаждением до температур окончания перлитного распада.

Часто отжиг выгодно заменять термоциклической обработкой – многократным повторением циклов нагрева-охлаждения до температур соответственно выше/ниже температур фазовых превращений. Такая обработка позволяет в заметно большей степени измельчить зерно и в результате получить заметно лучшие механические свойства готового изделия (прочность, пластичность, ударную вязкость).

Закалка из МКО позволяет значительно уменьшить поводки и коробление деталей, благодаря закрытию микропор в отдельных случаях несколько повышает твёрдость и механику сталей. Выполняется как «мягкая» закалка из межкритической области, как правило, охлаждением в масле.

Высокий отпуск (с точки зрения теории ТО – докритический отжиг) снимает напряжения после мехобработки, подготавливает структуру стали к закалке, в отдельных случаях снижает твёрдость стали до минимальных значений.

Закалка – основной этап ТО. Заключается в нагреве до температур выше температур фазовых превращений и, как правило, вызывающих заметное растворение карбидов, создающих требуемое насыщение твёрдого раствора углеродом и легирующими элементами, и быстром охлаждении (со скоростью выше критической), фиксирующем этот пересыщенный твёрдый раствор.

Криообработка – охлаждение изделия до низких температур (как правило, –78... –196 °С). Преследует целью возможно более полное превращение остаточного аустенита, что увеличивает твёрдость, стойкость к смятию и уменьшает риск превращения аустенита при эксплуатации, но может снижать вязкость.

Термообработка. Что? Как? Почему?

Результирующий отпуск формирует окончательные свойства клинка. Обычно осуществляется нагревом до относительно невысоких температур (иногда средних температур). При закалке на вторичную твёрдость обычно используется многократный нагрев до температур активного дисперсионного твердения и превращения остаточного аустенита.

Отпуск после шлифования снимает шлифовочные напряжения и иногда стабилизирует образовавшийся при шлифовании аустенит.

Не все эти этапы необходимы, некоторые могут частично или полностью заменять друг друга – всё зависит от стали и технологического цикла. В случае покупки полуфабрикатов заметная часть ТО уже сделана на предприятии-изготовителе.

Обычно этапы ТО делят на предварительную и результирующую ТО. Результирующая ТО формирует свойства готового изделия (как правило, это всё начиная с последней высокотемпературной ступени – закалки), задача предварительной ТО (ПТО) – обеспечить необходимые технологические свойства и подготовить структуру к результирующей ТО. Естественно, результирующая ТО наиболее сильно влияет на «базовые» свойства стали, но именно ПТО часто позволяет «выжать» из стали максимум того, на что она способна.

Конечно, бесплатных пирожных не бывает. С усложнением ТО растут трудозатраты, загрузка оборудования и т. д., что неизбежно приводит к росту цены изделий, часто многократному. Поэтому будет излишне оптимистично искать бриллианты среди ширпотреба. С другой стороны, попытки выжать максимум могут привести к таким затратам, что изделие приобретает статус «эксклюзива» с соответствующей ценой. Рассмотрим основные варианты.

1) Сковал, нагрел в горне до ярко-оранжевого, сунул в масло. Подержал над углями 5 минут – «насяльнике, всё». В данном случае рассчитывать хотя бы на средний для данной стали результат довольно оптимистично.

2) Отдал «какому-то термисту» с оборонного завода. Что и как тот с железкой делал – тайна, с логично непредсказуемым результатом.

3) Есть печка, есть «даташит», есть полоска буржуйской стали. Знаний и понимания, что именно и для чего именно делается, – нет. Если не косячить, то вполне вероятен неплохой результат. Особенно с современными сталями: они, как правило, достаточно толерантны к ошибкам.

4) То же + минимальные представления о том, что, куда и зачем. Как правило, при накоплении и осмыслении собственного и чужого опыта и личной ответственности возможно получение стабильно хороших результатов.

5) Имеются чёткие представления о предмете и/или огромный личный опыт. Плюс заинтересованность в результате и личная ответственность. Это предпосылки к получению стабильных результатов заметно выше среднего. Авторские схемы ТО часто позволяют выжать из сталей заметно больше того, чего от них ждут.

6) Клинки-чемпионы – требуют ещё и некоторой доли удачи.

Термообработка. Что? Как? Почему?

Рассмотрим и основные ошибки при ТО и их влияние на качество изделия.

Недостаточная твёрдость – как правило, следствие недогрева при закалке (редко – перегрева) или излишне высокого отпуска. В умеренных формах встречается на недорогих ножах как компенсатор излишне упрощённой ТО.

Избыточная твёрдость и хрупкость – «перекал». А вот тут всё сложнее. Часто речь идёт не о высокой твёрдости, а о перегреве при закалке (или непроведённой ПТО), когда сталь получает слишком крупное зерно. Собственно, твёрдость не является единственным показателем качества ТО: к одной и той же твёрдости можно прийти разными путями и с очень разным результатом. Так что утверждения типа «нож выше 58 HRC хрупок, как стекло» надо воспринимать со здравым скепсисом.

Обезуглероженный слой. При отсутствии защитных атмосфер/покрытий или вакуумного оборудования присутствует практически всегда. При правильном планировании техпроцесса этот слой удаляется, но в отдельных случаях (например, при закалке тонко сведённой заготовки или выполнения ножа со «стамесочной» заточкой без удаления обезуглероженного слоя) он может выходить на РК, с самыми печальными последствиями для последней. Иногда он может стать причиной ошибок при определении твёрдости: там она будет заметно меньше, чем на теле клинка и РК.

Трещины. Могут появиться на разных этапах производства, наиболее часто при ковке, закалке или шлифовании. Являются безусловным неисправимым браком.

Поводки и коробления. На длинномере они практически неизбежны, на коротком клинке допустимы до определённой степени.

Основная мысль, которую хотелось бы донести, – это важность именно оптимального комплекса свойств твёрдости, износостойкости режущей кромки, прочности, пластичности и ударной вязкости применяемой стали и итогового изделия. Ибо только запредельная твёрдость, максимальные показатели износостойкости РК и сверхвысокие результаты на том же тесте «рез каната» совсем не означают высоких потребительских свойств, а зачастую даже наоборот. Ну и главное: конкретная модель ножа, сталь, её ТО и геометрия, а также используемые материалы должны подбираться под задачу и ожидания пользователя.

В заключение несколько реальных историй о разных подходах к ножестроению.

Термообработка. Что? Как? Почему?

1) Проводя закалку, кузнец А свинчивает несколько десятков заготовок шпильками, кидает в печь, идёт пить водку. Через несколько ЧАСОВ возвращается, кидает «бутерброд» в бак с маслом, идёт пить водку. Отпуск не делает: «А зачем, там и так 58 единиц».

2) Кузнец Б в течение многих лет калит Х12МФ с температур на 50 градусов выше оптимальных. На резонный вопрос о причинах отвечает: «А я всегда так делаю, никто не жалуется».

3) Энтузиаст В решил провести криообработку путём закалки раскалённой до 1175 заготовки в жидком азоте. На предложение сначала найти значение теплоты испарения для жидкого азота через два дня задумчиво высказал «*ля».

4) Кузнец Г калит каждую заготовку по-разному. При этом сам их не испытывает и отзывы не собирает.

5) Мастер Д при закалке КАЖДОГО клинка помимо авторской ТО и проверки на твёрдость всегда контролирует излом – на всякий случай. Это уже заявка на ответственное отношение к делу, что проявляется и в других вопросах и находит отражение в цене изделий.

Так что, выбирая ТО, вы выбираете ПРОИЗВОДИТЕЛЯ. У разных мастеров могут быть разные взгляды на ТО, но ответственный и уважающий себя и потребителя производитель никогда не выпустит в продажу изделие со свойствами ниже некоторого минимума. А в случае брака (чего только не бывает) приложит максимум усилий к разрешению ситуации.

14

    Похожие статьи