Зачем нужен отпуск стали и как избежать нежелательного отпуска

Чтобы понять, о чем идет речь в заголовке, нам придется хотя бы поверхностно изучить, что такое твердость и прочность, а также закалка стали.

Чем отличается твердость от прочности, как они связаны и почему сложно заполучить сразу и то, и другое

Чего мы хотим от готового стального изделия (в нашем случае – ножа)? Конечно, прочности и твердости. Но в быту мы мало задумываемся над тем, что между этими понятиями в физике существует серьезная разница. Давайте разберемся.

Представьте себе лист чугуна. Это очень твердый, но при этом хрупкий материал: это значит, что он выдерживает огромное давление на сжатие, но совершенно не приспособлен для ударных или изгибных нагрузок. Иными словами, при высокой твердости у него отсутствует прочность. Напротив, лист танковой брони обладает отличной прочностью, чтобы выдержать попадание пуль и снарядов. Но нож из него не сделаешь: вязкая броня заточку держать не будет.

Как это относится к стали? Просто: при закалке (процедуре, направленной на повышение твердости) сталь неизбежно теряет в прочности. До закалки отпущенную прочную и вязкую пластину из стали невозможно разбить или пробить, но можно поцарапать или согнуть; после закалки ею можно царапать другие стали, зато теперь она ломается чуть ли не руками.

Что делать? Именно для решения этого вопроса и был изобретен отпуск стали.

Что представляет собой отпуск стали и зачем он нужен

Отпуск – это не совсем повторная закалка, хотя в чем-то эти процедуры и похожи. Сталь под закалку нагревают до оптимальной именно для нее температуры, а не до которой в принципе способен «разогнаться» горн, после чего охлаждают – в масле, воде или иных средах. А вот отпускают ее уже после охлаждения. Для этого ее повторно нагревают при намного меньшей температуре, после чего снова охлаждают в закалочной среде.

Как определяют температуры закалки и отпуска?

Для обычных марок сталей температуры обычно уже известны мастеру. Закалочные печи оснащены специальными термодатчиками, позволяющими настроить необходимую температуру. Если же работать в горне без датчиков, то можно ориентироваться на визуальные признаки: грубо говоря, при достижении заготовкой белого цвета сталь уже перекалена и никуда не годится, а вот светло-желтый цвет говорит о достижении той самой экстремальной температуры, которая нам нужна для закалки. Цвет стали меняется, и опытный мастер может определить нужную температуру нагрева «на глаз».

С отпуском ситуация аналогичная – так называемый «цвет побежалости» характеризует необходимую температуру отпуска, которую подбирают согласно назначению изделия. Низкотемпературный отпуск сохранит твердость в ущерб пластичности, а высокотемпературный – наоборот.

Что касается ножей, здесь мы говорим чаще всего о низкотемпературном отпуске, до 250 °С, реже – о среднетемпературном. Чем выше температура отпуска, тем более стойкой будет сталь к ударным нагрузкам, а это обычно нужно для деталей движущихся механизмов. Для стали, из которой сделан нож, важнее баланс между твердостью и прочностью: клинок должен быть в меру износостойким* и при этом быть устойчивым к ударным нагрузкам.

Чаще всего цвет каления, как это называется у профессионалов, будет варьироваться от вишневого до желтого, но, повторим, ориентироваться только на цвет нельзя: универсальной температуры отпуска для разных сталей и для изделий разного назначения просто не бывает.

* Почему мы не ставим перед собой задачи сделать так, чтобы сталь ножа вообще не истиралась? Это откат в каменный век: орудия из кремня были очень твердыми и поэтому чрезвычайно хрупкими и неудобными в работе. К тому же невозможность истирания стали привела бы и к невозможности ее наточить, ведь в основе и затупления, и заточки лежит один и тот же процесс – механический износ сплава.

Когда происходит нежелательный отпуск и как его избежать

Ковка

Прежде всего, конечно, речь идет о термомеханической обработке стали. После закалки сталь особенно уязвима – она очень тверда, но ее можно разбить щелчком пальцев, так как в процессе закалки она утеряла прочность. Чтобы сделать материал заготовки функциональным, требуется отпуск.

Здесь важно не переборщить. Экспериментальным путем было выяснено, что повторная закалка (то есть доведение до экстремальной температуры) ни к чему хорошему не приведет, делать ее не следует; а вот нагрев до более низких температур – то, что надо. Но если мастер попросту проворонил нужный момент, происходит высокотемпературный отпуск, иначе говоря – та самая нежелательная повторная закалка, при которой сталь снова теряет прочность. Впрочем, слишком низкий отпуск заготовке тоже не показан: это может негативно сказаться на свойствах уже готового клинка, который в результате окажется непрочным.

Заточка

Второй момент, куда более опасный – это слесарные операции и заточка на шлифовальных кругах. Ковку все-таки делают профессионалы, и там риск перекалить заготовку, в принципе, минимален. А вот отделочные операции (в т. ч. заточка, которую делает чаще всего владелец и только изредка – профессионал) представляют для ножа много опасностей, среди которых искажение геометрии клинка и многое другое. Но сейчас нас интересует именно самопроизвольный отпуск.

На шлифовальном круге из-за большой скорости вращения зона контакта круга с заготовкой быстро достигает критически высоких температур. Поскольку сталь теплопроводна, в зоне контакта перегревается и клинок ножа. Да не просто перегревается, а именно раскаляется – только попробуйте потрогать инструмент, который только что отняли от шлифовального круга. В месте контакта меняется и цвет стали на коричневый. Догадываетесь, что происходит? Температура там куда выше, чем положенная для отпуска; она легко переваливает за безопасную для закалки клинка отметку. Происходит нежелательный дополнительный отпуск, который, как мы помним, ведет к потере твердости и упругости стали.

При заточке ножа температура возрастает, проконтролировать ее без опыта и навыков невозможно. Если она превышает допустимую норму, происходит самопроизвольный отпуск и режущая кромка теряет свои свойства. Поэтому и при заточке, и при выполнении слесарных операций так важно регулярно охлаждать клинок, помещая его, например, в емкость с водой.

Что делать? Некоторые специалисты рекомендуют охлаждать клинок, а иногда и сам заточной инструмент обычной проточной водой. Но это решает только часть проблемы, притом что охлаждение снижает скорость работы и используется только при заточке. Поэтому второе, что мы делаем для выполнения слесарных операций по выведению спусков – понижаем скорость вращения круга до 60 оборотов в минуту, и это максимум.

Подобный способ заточки для хороших ножей все-таки не очень подходит. На обычном шлифовальном круге можно точить косы, топоры, недорогие универсальные и кухонные ножи, но никак не более-менее стоящие экземпляры. Для них изобретено множество других способов заточки, в том числе и такие же быстрые механизированные – например, заточные машины с водными камнями. Чем они отличаются от обычных? Во-первых, у них иной материал абразивного инструмента, который относится более бережно к поверхности клинка и не снимает слишком много стали. Во-вторых, в конструкции есть специальный резервуар, который не только подает воду безопасным для электрических частей способом, но и смачивает поверхность диска, в результате чего на ней образуется суспензия, дополнительно полирующая нож. То есть на такой машине делается не только аккуратная заточка, но и доводка режущей кромки (если подобрать круг правильной зернистости). Ну и, конечно, скорость вращения здесь куда ниже, поэтому абразивный инструмент более щадяще относится к ножу.

Такие машинки специально предназначены для заточки ножей: благодаря использованию специальных водных кругов, выделяющих суспензию, водяному охлаждению и малой скорости вращения они не вредят ножу в процессе заточки. Второе и третье фото – это заточной круг с гридностью #1000 и доводочный с гридностью #6000

***

Итак, что мы выяснили? Сырой стали правильный температурный режим закалки придает твердость, но отнимает прочность; вернуть прочность можно с помощью правильного режима отпуска – низкотемпературного нагрева с последующим охлаждением. При неаккуратной заточке на шлифовальном круге температурные режимы могут быть превышены, в результате чего произойдет самопроизвольный отпуск и клинок ножа просто-напросто утратит рабочие свойства. Избежать этой ситуации помогают специальные машинки для заточки ножей.