Закалка металла. Методы от древности до современности

Физические свойства, в частности, твердость любого материала, зависят не только от его химического состава, но и от объемной молекулярной структуры. Ярким примером может служить алмаз, состоящий из тех же атомов углерода, что и обычный карандашный грифель. Железо тоже может становиться мягче или тверже, в зависимости от того, как сформирована его кристаллическая решетка. Это его свойство известно людям давно, и, как часто это бывает, первоначально получило распространение в оружейных технологиях.

Закалка металла издревле практиковалась при изготовлении мечей и сабель. Искусство оружейника состояло в том, чтобы создать такой клинок, который не сломается в бою, будет как можно дольше сохранять свою остроту. Меч рыцаря, сабля сарацина, кладенец русского витязя или катана самурая отвечали этим требованиям, а технологии их производства доводились до степени высокого искусства.

Закалка металла производится путем его нагрева до температуры, называемой критической. Ее величина соответствует такому состоянию материала, при котором происходит увеличение энтропии, приводящей к кристаллическим изменениям. Чтобы зафиксировать это положение, предмет нужно достаточно быстро охладить. Конечно, такое описание процесса является крайне упрощенным, на самом деле технология, как правило, намного сложнее. Однако именно этим способом производится закалка металла в домашних условиях в тех случаях, когда купленный инструмент, например, топор, слишком быстро тупится. Следует помнить о том, что повторять эту процедуру много раз нельзя, иначе металл «устанет», его внутренние молекулярные связи ослабнут, и кроме как на переплавку он ни на что не сгодится.

Как в любом другом деле, здесь нельзя полагаться на принцип «чем больше, тем лучше». Для получения желаемых свойств предмета, его следует прогреть до нужной температуры. Термометр, к сожалению, использовать нельзя. Метод, применяемый для термоконтроля, также очень древний. Температура определяется по цвету свечения, и когда она достигнута, закалка металла переходит в следующую фазу – охлаждения, для чего используют воду или масло.

Постижение учеными эффекта индукции открыло новую страницу в технологиях металлообработки. Выяснилось, что глубина нагреваемого слоя зависит от частоты тока.

На схеме стрелками показаны зоны нагрева детали и прохождение линий наводки.

Стала возможной поверхностная закалка металла. До белого каления деталь доводится не посредством погружения в очаг пламени, как это было в средние века, а за счет резистивного нагрева токами, наведенными катушкой, не имеющей с ней прямого контакта. Такая технология обеспечивает уникальные, на первый взгляд противоречивые свойства: снаружи изделие может быть твердым, а внутри пластичным. Поверхностная индукционная закалка применяется в тех случаях, когда требуется прочность и недопустима хрупкость.

Автором теоретического обоснования и методики практического применения этой технологии стал в 1936 году наш соотечественник - профессор В.П. Вологдин. Помимо физических достоинств, данная разработка выгодна и экономически, поскольку на нагрев заготовки идет практически вся излучаемая индуктором энергия.