Все це атрибути популярного американського телешоу «Між молотом і ковадлом», в якому кожен глядач, не встаючи з дивана, може дізнатися тонкощі виробництва холодної зброї.
Одним із секретів професійного майстра-зброяра є правильне загартовування металу, з якого буде вироблений гострий і міцний клинок. І часто саме цей етап стає непереборною перешкодою для учасників шоу. Коваль повинен не тільки вміло працювати з молотом і ковадлом. Найдраматичніший момент настає, коли розігрітий напівфабрикат опускають в ємність з рідиною. Це і є загартовування, від якого залежить якість поверхні, характеристики сталі, форма клинка, а також фінальна оцінка суддів. Адже якщо допущена помилка, то метал може викривити, покритися тріщинами або ж залишитися занадто м'яким.
Як з'явилося загартовування?
До середини XIX століття вважалося, що якість сталі і виробів з неї залежить виключно від кування або ковальської обробки. Лише в 1866-1868 роках російський вчений Дмитро Костянтинович Чернов при вивченні металу бракованих гармат з'ясував і довів, що високоякісна сталь - це продукт, що пройшов термічну обробку, в т.ч. загартовування, в результаті якої в металі відбуваються зміни, які в середньовіччі могли б прийняти за магію.
Сталь має кристалічну структуру, якій властиво змінюватися в залежності від зовнішніх умов і утворювати різні стійкі кристалічні решітки. Ця особливість називається поліморфізмом кристалів і вперше була відкрита німецьким хіміком Мартіном Генріхом Клапортом в 1798 році на прикладі карбонату кальцію.
Чернов розвинув цю теорію стосовно стали. Він встановив 4 критичних температури - a, b, c і d, які отримали назву «Точки Чернова». При їх досягненні змінюється фазовий стан і структура сталі під час охолодження або нагрівання твердого сталевого виробу. Відкриття Дмитра Чернова поклало початок розвитку науки про термічну обробку металів. Та й загалом в металургії після цього почали все сильніше використовувати науковий підхід і все менше враховувати досвід, накопичений попередніми поколіннями.
Як загартовування впливає на сталь?
На молекулярному рівні сталь являє собою кристалічну структуру з поліморфними властивостями. Цей термін походить від грецького слова, що означає «різноманіття». В даному випадку мова про те, що кристалічні решітки сталі, які можуть значно відрізнятися між собою, при певній температурі трансформуються одна в іншу - це і є поліморфне перетворення. Крім того, при різних умовах охолодження (прискорене або навпаки уповільнене), можуть утворюватися зовсім різні фазові складові. Структура сталі після загартовування, як і після інших видів термічної обробки, змінюється. Даний процес впливає на характеристики металу, а структури і фази, одержувані в залежності від виду та ступеня термічного впливу, називаються аустеніт, мартенсит, ферит, цементит, перліт і т.д. - взагалі, досить складні фізико-хімічні терміни та пояснення.
Якщо ж говорити мовою, зрозумілою широкій аудиторії, загартовування - це високотемпературний нагрів і різке охолодження сталевого виробу, завдяки яким знижується пластичність і в'язкість вуглецевої сталі. Матеріал стає міцним, твердим та крихким. І все це відбувається в твердому стані, тобто без нагрівання сталі до плавлення.
На практиці це виглядає наступним чином. Наприклад, холодну заготовку майбутнього ножа або свердла нагрівають трохи вище критичної температури, при якій відбувається те саме поліморфне перетворення кристалічної решітки. Метал деякий час витримують при заданій температурі. Після цього заготовку швидко охолоджують у воді, солях або мастилі (в залежності від ступеня легування сталі і необхідного комплексу властивостей), фіксуючи нову структуру. При цьому в сталевому виробі утворюється внутрішнє напруження, яке може привести до передчасного руйнування.
Тому загартовану деталь в більшості випадків піддають ще одній процедурі - відгартовуванню. Це технологічний процес, під час якого металевий виріб нагрівають до відносно невисоких температур з наступним охолодженням на повітрі або з піччю. Він дозволяє знизити крихкість сталі при збереженні міцності.
Які бувають способи загартовування сталі?
Один з основних факторів, які впливають на загартовування металу - це середовище, в якому воно відбувається. Це може бути вода, мастило, спеціальне водополімерне середовище або ж розчини солей, від вибору яких залежить швидкість охолодження. Справа в тому, що кожна з цих середовищ має певну охолоджувальну здатністю, і якщо вибрати невідповідну, то виріб або не загартується, або, навпаки, через занадто високу швидкість охолодження виникнуть надлишкові напруги і матеріал розтріскається. Тому для кожного сплаву повинні застосовуватися конкретні гартувальні рідини: наприклад, для вуглецевих сталей - вода, для легованих - мастило.
Загартовування сталі може відбуватися в одному середовищі або ж може виконуватися переривчасте загартовування в двох середовищах, існують також струменисте та ступінчасте загартовування і т.д. Цей вибір залежить від вихідної марки сталі, бажаних фінальних характеристик, площі гартовуваної поверхні і багатьох інших факторів.
Наприклад, в японських мечах катана загартовувається лише ріжуча кромка, так званий хамон. Щоб цього домогтися, ковалі обмазують незагартований меч спеціальної глиною, після чого стирають її з кромки майбутнього меча. Та виконують загартовування. Не обходилося і без експериментів. Наприклад, використання настою конопляного масла з зеленим чаєм замість води надавало лезу катани об'ємний ефект, який отримав назву дворівневий хамон.
Помилки і недоліки загартовування сталі
Однак загартовування сталей - це дуже тонкий процес. У ньому дуже важливо розігріти виріб до потрібної температури. Досвідчені ковалі визначають температуру нагрівання стали, як правило, візуально - за кольором її поверхні. Але якщо майстер допустить прорахунок, то виріб не отримає потрібних характеристик. На промислових підприємствах температуру нагрівання звичайно ж контролюють спеціальними приладами - пірометрами, термопарами та іншої контрольно-вимірювальною технікою.
Що може трапитися? Метал може виявитися недостатньо твердим. Причина-низька температура нагріву, мала витримка або занадто повільне охолодження. Дефект можна виправити відпалом і повторним загартовуванням. Перегрів супроводжується підвищеною крихкістю. Але його також можна виправити за допомогою відпалу (нормалізації) і повторного загартовування.
А ось перепал виникає, коли сталевий виріб нагрівають до температур, близьких до температури плавлення. У підсумку виходить дуже крихкий метал, і цей дефект вже неможливо виправити. Також при неправильному загартовуванні можуть виникати окислення і зневуглецювання, викривлення і тріщини. Одна з причин подібного браку - це нерівномірність структури вихідного металу або швидкості температурних змін. Адже перехід від однієї кристалічної структури до іншої (з аустеніту в мартенсит) веде до збільшення обсягу на 3%.
Тому щоб уникнути або для мінімізації подібних помилок розроблені і використовуються спеціальні таблиці і колірні діаграми. Існують довідники ізотермічних і термокінетичних діаграм, в яких для кожної марки сталі можна вибрати коректні умови термічної обробки, що забезпечують отримання необхідної структури.
Величезна кількість нюансів, які виникають під час термічної обробки сталевих виробів, і які потрібно враховувати в технологічному процесі - це привід для серйозного вивчення металургійної науки. Навіть телевізійні шоу наочно демонструють, що в умовах обмежених ресурсів не тільки досвід, але і знання дають велику перевагу тим, хто хоче домогтися найкращого результату.