при какой температуре синеет металл

Цвета побежалости металлов, определение температуры по цвету нагретой заготовки

Цвета побежалости металла – это спектр цветов, которые образуются на поверхности металла при появлении появления окисной пленки. Эти окисные пленки создаются из самого металла при нагревании. Важным условием для образования такой пленки является отсутствие воздействия воды.

Такая побежалость металла является дефектом сварного соединения.

Происхождение цветов побежалости металла

В естественной природе цвета побежалости можно наблюдать на поверхностях ряда минералов, среди них пирит и халькопирит. Логично заключить, что эти изменения видны в следствие окисления верхнего слоя материала. Как результат — они покрываются тонкой оксидной пленкой, которая и преломляет попадающий на ее поверхность свет. Создавшийся эффект интерференции, «окрашивает» поверхность металла в разные цвета.

Яркость цветов побежалости зависит от толщины образуемой оксидной пленки и длины световой волны, которая попадает на поверхность материала. Самые яркие оттенки можно увидеть на медных минералах. Получаемые цвета также зависят от состава металла. Если в элементе есть много ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. В случае если присутствуют хромофоры, вы увидите красные цвета.

Искусственный цвет побежалости металла появляется на его поверхности при воздействии высоких температур. Важно условие – отсутствие воды и любых других жидкостей.

По мере нагрева образовавшаяся окисная пленка уменьшается, что объясняется диффузией (процесс «смешивания» или проникновения частиц хим.элемента в другой материал). Конкретно в ситуации с окисной пленкой металла наблюдается взаимодействие атомов кислорода и металла.

Стоит отметить, что на легированных сталях цвет побежалости появится при большем нагреве, чем на углеродистой стали.

Создание искусственных цветов побежалости

В сфере обработки металлов активно используется прием воронения. При этом технология покрытия сплавов окисными пленками известна и активно используется уже не одну тысячу лет.

Вороненный металл устойчив к ржавчине, более прочен перед механическими нагрузками и имеет красивый окрас даже без дополнительных покрытий и красок.

Воронение выполняется следующим образом:

Получаемый слой окисла на поверхности металлического изделия полностью устойчив к воздействию воды, а также обладает высокой прочностью к механическим воздействиям.

Окисные пленки образуются с различной скоростью и на это влияют следующие факторы:

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

Среди современных приборов существуют пирометров, которые обеспечивают достаточно точный контроль температуры. Они работают на основе анализа лазерных лучей. Приборы оснащены специальными датчиками, анализирующими отраженные лазерные лучи и отображают температуру металла, которой соответствуют полученные характеристики излучений.

Технологии с использованием цветов побежалости активно применяют в производстве рабочих инструментов и оборудования. Особенно распространено использование этого приема при работе с медью, железом, алюминием и латуни.

Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:

Цвет побежалости металла и его температура или температура цветов побежалости металла

Как уже стало ясно из описанного выше материала, температура и цвет металла изменяется все время нагрева заготовки. Важно отметить, что температура побежалости металла отличается для каждого отдельно взятого сплава и вида металла. Поэтому существует большое количество таблиц и списков соотношения цвета и температуры. Ниже приведены таблицы цветом побежалости металла для разные сплавов.

Шкала цветов побежалости стали

Для углеродистых сталей можно привести следующую зависимость цветов и соответствующих температур:

На заготовках из нержавейки 12Х18Н10Т, где 18% хрома, также 10% никеля и 1% титана (взято из ГОСТ 5632-2014), цвета побежалости в зависимости от температуры будут изменяться несколько другим образом. Главное отличие – величины температур. Это объясняется коррозийной устойчивостью и жаропрочной стойкостью. Поэтому при нагреве и охлаждении частицы сплава и кислорода взаимодействуют медленнее, замедляя создание оксидной пленки.

В следующей таблице цветов побежалости металла представлены особенности изменения цвета изделий из нержавеющей стали:

На поверхностях заготовок из нержавеющей стали могут появиться радужные полосы. Они могут появиться при нагревании изделия до температуры кипения (100 °С). Появление радужных следов обусловлено изменениями в кристаллической решетке металла.

Радужный окрас на поверхности обрабатываемой заготовки не свидетельствуют о перегреве нержавеющей стали.

Я работал токарем и знаю, что такое побежалость. Интересное явление, особенно, когда металл «перегреешь» в процессе обработки. Он действительно нагревается от золотистого цвета до синего. Особенно было интересно, когда только обучался токарному делу. М-да.

Источник

Что такое цвета побежалости

Цвета побежалости — это окисные пленки на поверхности железных сплавов различной толщины и плотности. Они образуются без участия молекул воды при нагревании до определенных температур. Самое простое представление о тонких пленках можно получить на примере мыльных пузырей или пленках нефтепродуктов на поверхности воды. Для железа цвета побежалости образуются при нагревании, и толщина пленки соизмерима с размерами молекул.

Это явление с физической точки зрения объясняется теорией «тонких пленок» и обусловлено оптической интерференцией окисных пленок в зависимости от своей толщины.

Шкала цветов побежалости

Толщина окисных пленок определяется температурой и временем нагрева, а существующие шкалы цветов побежалости носят довольно условный характер.

Поэтому таблицы соответствия разнятся (шкалы для углеродистых, жаростойких, нержавеющих сталей ), и можно говорить только об ориентировочном соответствии. Но усредненная таблица цветов побежалости выглядит следующим образом

Цвета

Температура нагрева, °С

коричнево-желтый до бурого

Например, при продолжительном нагреве при 220 °С можно вызвать посинение стали. Или желаемый цвет получается при кратковременном нагреве до температуры, более высокой, чем указанная в таблице. Но для каждого цвета побежалости существует температурный минимум, ниже которого нужный цвет не получится.

Цвета побежалости для отделки металлической поверхности

При подготовке регламентов стоит предпочесть более низкие температуры и более продолжительную выдержку, так как пленки окислов в этом случае получаются более прочными и исключается создание дополнительных термических напряжений, которые могут приводить к короблению изделий.

Для закаленной стали и не закаленной образование окисных пленок будет происходить по-разному. На скорость образования окисных пленок значительное влияние оказывают:

Для получения плотной, равномерной пленки окислов необходимы нагревательные печи, способные удерживать стабильную температуру в течение длительного времени.

В домашних условиях это или горн, или паяльная лампа, или качественная плита с духовкой. И в таком случае режим чернения подбирается для каждого изделия индивидуально. Необходимо помнить, что переход из одного цвета в другой происходит быстро, поэтому процесс требует самого пристального внимания.

Источник

Правила закалки металла в домашних условиях

Визуальное определение температуры нагретого металла

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг.

В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Шкала цветов побежалости

Толщина окисных пленок определяется температурой и временем нагрева, а существующие шкалы цветов побежалости носят довольно условный характер.

Поэтому таблицы соответствия разнятся (шкалы для углеродистых, жаростойких, нержавеющих сталей), и можно говорить только об ориентировочном соответствии. Но усредненная таблица цветов побежалости выглядит следующим образом

Например, при продолжительном нагреве при 220 °С можно вызвать посинение стали. Или желаемый цвет получается при кратковременном нагреве до температуры, более высокой, чем указанная в таблице. Но для каждого цвета побежалости существует температурный минимум, ниже которого нужный цвет не получится.

Закалка стальных деталей

Закалка придаёт стальной детали большую твердость и износоустойчивость.

Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объём материала прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или в воде (углеродистые стали).

Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880–900°C (цвет каления светло-красный), из инструментальных – до 750–760°С (цвет темно-вишнево-красный), а из нержавеющей стали – до 1050–1100°С (цвет темно-желтый).

Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500°С), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.

В ремонтной практике применяют в основном охлаждение в одной среде (масле или воде), оставляя в ней деталь до полного остывания. Однако этот способ охлаждения непригоден для деталей сложной формы, в которых при таком охлаждении возникают большие внутренние напряжения.

Детали сложной формы сначала охлаждают в воде до 300–400°С, а затем быстро переносят в масло, где и оставляют до полного охлаждения. Время пребывания детали в воде определяют из расчета: 1с на каждые 5–6 мм сечения детали. В каждом отдельном случае это время подбирают опытным путём в зависимости от формы и массы детали.

Качество закалки в значительной степени зависит от количества охлаждающей жидкости. Важно, чтобы в процессе охлаждения детали температура охлаждающей жидкости оставалась почти неизменной, а для этого масса ее должна быть в 30–50 раз больше массы закаливаемой детали. Кроме того, перед погружением раскаленной детали жидкость необходимо тщательно перемешать, чтобы выровнять ее температуру по всему объему.

В процессе охлаждения вокруг детали образуется слой газов, который затрудняет теплообмен между деталью и охлаждающей жидкостью. Для более интенсивного охлаждения деталь необходимо постоянно перемещать в жидкости во всех направления.

Можно ли повысить твердость металлов и их сплавов?

Технологии придания большей твердости металлам и сплавам совершенствовались в течение долгих веков. Современное оборудование позволяет проводить термическую обработку таким образом, чтобы значительно улучшать свойства изделий даже из недорогих материалов.

Закалка стали и сплавов

Закалка (мартенситное превращение) — основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают.

Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа.В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.

Большинство углеродистых и инструментальных сталей при закаливании нагревают до температуры от 800 до 900С, а вот быстрорежущие стали Р9 и Р18 калятся при 1200-1300С.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Режимы закалки

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении — детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины.

При таком способе закалки изделие охлаждают до 250-300С в соляном растворе с выдержкой 2-3 минуты для снятия термических напряжений, а затем завершают охлаждение на воздухе. Это позволяет не допускать появления трещин или коробления деталей. Минус этого метода в сравнительно небольшой скорости охлаждения, поэтому его применяют для мелких (до 10 мм в поперечнике) деталей из углеродистых или более крупных — из легированных сталей, для которых скорость закалки не столь критична.

Начинается быстрым охлаждением в воде и завершается медленным — в масле. Обычно такую закалку используют для изделий из инструментальных сталей. Основная сложность заключается в расчете времени охлаждения в первой среде.

Применяется для деталей, которые должны быть твердыми на поверхности, но иметь при этом вязкую сердцевину, например, зубья шестеренок. При поверхностной закалке внешний слой металла разогревается до закритических значений, а затем охлаждается либо в процессе теплоотвода (при лазерной закалке), либо жидкостью, циркулирующей в специальном контуре индуктора (при закалке током высокой частоты)

Таблица температур закалки и отпуска сталей

Отпуск закаленных деталей

Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150–250°С (цвет побежалости – светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300–500°С и затем медленно охлаждают.

И, наконец, высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренне напряжение. В этом случае температура нагрева еще выше – 500–600°С.

Термообработку (закалку и отпуск) деталей постой формы (валики, оси, зубила, кернера) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.

Небольшой участок детали быстро зачищают абразивным брусочком и следят за сменой цветов побежалости на нем. Когда появится цвет, соответствующий необходимой температуре отпуска (220°С – светло-желтый, 240°С – темно-желтый, 314°C – светло-синий, 330°С – серый), деталь вновь погружают в жидкость, теперь уже до полного охлаждения.

Происхождение

В природе цвета побежалости образуются на поверхности многих минералов, включая пирит и халькопирит. Из-за окисления они покрываются тонкой оксидной пленкой, преломляющий солнечный свет. В результате интерференции поверхности металла окрашивается в разные цвета. Яркость побежалости зависит от толщины оксидной пленки и длины волны. Наиболее яркие цвета побежалости образуются на медных минералах. Также цвет зависит от качественного состава металла. Если в элементе присутствует большое количество ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. При наличии хромофоров минералы становятся красными.

Также цвета побежалости могут образовывать в естественных условиях на поверхностях старых стекол или монет. Изменение окраса может быть обусловлено длительным контактом этих материалов с землей. Если на них присутствует жировая пленка, то они окрашиваются в радужный цвет. Побежалость скрывает настоящий цвет металла. Поэтому нельзя определять его истинный окрас на свежем изломе. Рекомендуется определять цвет при рассмотрении оксидной пленки.

Искусственно цвета побежалости образуются на поверхности металлических заготовок при сварке или закалке. Они появляются при нагревании металлов до критических температур без участия молекул воды или иных жидкостей. Во время нагревания происходит процесс образования оксидной пленки. Ее толщина составляет несколько молекул и уменьшается по мере нагрева. Это обусловлено явлением диффузии – процессом проникновения мельчайших частиц одного химического элемента в другой. В данном случае происходит взаимодействие атомов металла и кислорода. На углеродистых сталях пленки из оксидов возникают быстрее, чем на легированных.

Процедура покрытия стали и железа слоем оксидной пленки называется воронением. После проведения этой процедуры повышается коррозийная стойкость изделия. Обработанные детали не покрываются ржавчиной. Процедура воронения позволяет придать изделию окрас, даже если металлическая поверхность по условиям эксплуатации не подлежит покраске. Во время воронения заготовку протирают минеральным маслом и нагревают на железном листе. После выгорания масляной жидкости на заготовке появляются цвета побежалости. Для нужного окраса необходимо нагреть деталь до соответствующей температуры. Получившийся слой окисла является влагоустойчивым и не подвергается воздействию воздуха.

На скорость образования окисных пленок влияют следующие факторы:

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

В современной промышленности контроль температуры производится при помощи специальных приборов – пирометров. Они оснащены специальными датчиками, определяются степень нагрева заготовки при помощи лазера.

Цвета побежалости используются при изготовлении рабочих инструментов, лазерной маркировке и внешней обработке изделий из железа, меди, алюминия и латуни. Если требуется изготовить инструментарии с высокой плотностью (бритвенные лезвия, предметы для проведения хирургических операций, режущие кромки резцов и грабштихели), то побежалость должна быть яркого цвета: красного, оранжевого или желтого. До пурпурных и зеленых тонов нагревают инструменты, применяющихся в деревообрабатывающем секторе. Для достижения упругости при изготовлении пил, ножей, вил и пружин необходимо нагреть заготовки до появления синих или черных цветов.

В процессе нагревания металлическая заготовка становится гибкой, что позволяет мастеру придать ей необходимую форму. После данного процесса изделие закаляется при определенных температурах. Согласно рекомендациям специалистов, оптимальной температурой для закалки металлов является 700–800 °C. В этом случае изделие окрашивается в разные оттенки красного или розового цветов. При превышении этих значений на 300 °C заготовка становится оранжевой или желтой. При больших температурах происходит перекал, что негативно сказывается на прочности изделия.

Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:

После закалки заготовка приобретает высокую твердость. Для восстановления ее прочности необходимо провести процедуру отпуска, представляющую собой повторную термообработку детали. Металлическое изделие нагревается до более низких температур и охлаждается. Между закалкой и охлаждением также осуществляется полное остывание металлической поверхности при помощи его погружения в раствор соли или в масло. При выборе отпуска необходимо учитывать следующие особенности:

Температура цветов побежалости и каления

Во время отпуска возникают цвета каления. По ним можно определить, до какой температуры нагрелась заготовка. В отличие от побежалости, цвета каления меняются в процессе охлаждения металлической поверхности. Переход между цветами осуществляется в строгой последовательности, но с быстрой скоростью, поэтому мастер должен тщательно контролировать процесс термообработки.

Отжиг стальных деталей

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига.

Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900°С, выдерживают при этой температуре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературным отжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500–600°С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некоторого уменьшения твердости стали применяют неполный отжиг – нагрев до 750–760°С и последующее медленное (также весте с печью) охлаждение.

Отжиг используется также при неудачной закалке или при необходимости перекаливания инструмента для обработки другого металла (например, если сверло для меди нужно перекалить для сверления чугуна). При отжиге деталь нагревают до температуры несколько ниже температуры, необходимой для закалки, и затем постепенно охлаждают на воздухе. В результате закаленная деталь вновь становится мягкой, поддающейся механической обработке.

Отжиг и закаливание дюралюминия

дюралюминия производят для снижения его твердости. Деталь или заготовку нагревают примерно до 360°С, как и при закалке, выдерживают некоторое время, после чего охлаждают на воздухе. Твердость отожженного дюралюминия вдвое ниже, чем закаленного.

Приближенно температуру нагрева дюралюминия детали можно определить так. При температуре 350–360°С деревянная лучина, которой проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точную температуру детали можно определить с помощью небольшого (со спичную головку) кусочка медной фольги, который кладут на ее поверхность. При температуре 400°С над фольгой появляется небольшое зеленоватое пламя.

Отожженный дюралюминий обладает небольшой твердостью, его можно штамповать и изгибать вдвое, не опасаясь появления трещин.

. Дюралюминий можно повергать закаливанию. При закаливании детали из этого металла нагревают до 360–400°С, выдерживают некоторое время, затем погружают в воду комнатной температуры и оставляют там до полного охлаждения. Сразу после этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную твердость он приобретает спустя три-четыре дня. Его твердость (и одновременно хрупкость) увеличивается настолько, что он не выдерживает изгиб на небольшой угол.

Наивысшую прочность дюралюминий приобретает после старения. Старение при комнатной температуре называют естественным, а при повышенных температурах – искусственным. Прочность и твердость свежезакаленного дюралюминия, оставленного при комнатной температуре, с течением времени повышается, достигая наивысшего уровня через пять–семь суток. Этот процесс называется старением дюралюминия.

Отжиг меди и латуни

. Термической обработке подвергают и медь. При этом медь можно сделать либо более мягкой, либо более твердой. Однако в отличии от стали закалка меди происходит при медленном остывании на воздухе, а мягкость медь приобретает при быстром охлаждении в воде.

Если медную проволоку или трубку нагреть докрасна (600°С) на огне и затем быстро погрузить в воду, то медь станет мягкой. После придания нужной формы изделие вновь можно нагреть на огне до 400°С и дать ему остыть на воздухе. Проволока или трубка после этого станет твердой.

Если необходимо выгнуть трубку, ее плотно заполняют песком, чтобы избежать сплющивания и образования трещин.

позволяет повысить ее пластичность. После отжига латунь становится мягкой, легко гнется, выколачивается и хорошо вытягивается. Для отжига ее нагревают до 500°С и дают остыть на воздухе при комнатной температуре.

Цвета каления

При продолжении нагревания на смену цветам побежалости приходят цвета каления.

Поскольку каление представляет из себя свечение материала, объективная оценка самых темных его цветов, возможна только в темноте. А более светлых, как минимум, при затемнении. Первый, различимый глазом цвет каления красновато-коричневый, означающий, что температура каления в области его проявления находится в диапазоне 530 – 580 градусов по Цельсию. В отличие от цветов побежалости, цвета каления при охлаждении не сохраняются, а изменяются в обратном порядке.

Если на поверхности образовалась окалина, ее цвет возвращается к светло серому оттенку. При нагревании магнитных, железоуглеродистых сплавов выше 768 С их магнитные свойства исчезают. И появляются вновь, после охлаждения ниже этой температуры.

Это явление можно использовать как дополнительное средство контроля температур. Цвета каления отражают температуру нагрева не только металлических тел, но и не металлических тоже. Например, изделий из керамики, графита и других.

Источник