Введение

Дифференциальная термическая обработка (также называемая селективной или локальной термической обработкой) – это техника, используемая при термообработке стали для повышения или понижения твердости определенных участков изделия, создавая разницу в твердости между ними. Существует множество способов добиться разницы в свойствах, но большинство из них можно отнести к дифференциальной закалке или дифференциальному отпуску. Эти методы широко использовались исторически в Европе и Азии, и, пожалуй, наиболее известным примером является практика японских кузнецов. Некоторые современные варианты были разработаны в двадцатом веке по мере развития металлургических знаний и технологий. Дифференциальную закалку можно проводить двумя способами. Один из них заключается в равномерном нагреве стали до краснокаления, а затем быстром охлаждении части изделия, превращая ее в очень твердый мартенсит, в то время как остальная часть остывает медленнее и становится более мягким перлитом. Другой способ – очень быстрый нагрев части стали до краснокаления и последующее быстрое охлаждение, также превращающее эту часть в мартенсит, оставляя остальную без изменений. В свою очередь, можно выборочно закаливать сталь посредством дифференциального отпуска, то есть равномерно нагревая ее до краснокаления, затем закаливая, превращая в мартенсит, и после этого нагревая только часть изделия до значительно более низкой температуры, тем самым смягчая только эту часть.

Введение

Дифференциальная термическая обработка — это метод, используемый для изменения свойств различных частей стального изделия по-разному, создавая области, которые более твердые или мягкие, чем другие. Это обеспечивает большую вязкость в тех частях изделия, где она необходима, например, в хвостовике или спинке меча, но большую твердость на режущей кромке или в других областях, где требуется повышенная сопротивляемость ударам, износостойкость и прочность. Дифференциальная термическая обработка часто позволяет сделать определенные области более твердыми, чем это было бы допустимо при равномерной обработке стали, или "полной закалке". Существует несколько техник дифференциальной термической обработки стали, которые обычно делятся на дифференциальную закалку и дифференциальный отпуск. Во время термической обработки, когда раскаленная докрасна сталь (обычно в диапазоне от до ) быстро охлаждается (закаляется), она становится очень твердой. Однако она будет слишком твердой и хрупкой, как стекло. Закаленную сталь обычно повторно нагревают, медленно и равномерно (обычно в диапазоне от до ), в процессе, называемом отпуском, чтобы смягчить металл и тем самым повысить вязкость. Однако, хотя это смягчение металла снижает склонность лезвия к поломке, оно делает режущую кромку более восприимчивой к деформации, такой как затупление, смятие или загиб. Дифференциальная закалка — это метод, используемый при термической обработке мечей и ножей для повышения твердости режущей кромки, не делая при этом все лезвие хрупким. Для этого режущую кромку охлаждают быстрее, чем спинку, путем нанесения теплоизолятора на спинку перед закалкой. В качестве изоляции используется глина или другой материал. Чтобы предотвратить растрескивание и потерю углерода с поверхности, закалку обычно проводят до формирования скосов, придания формы и заточки режущей кромки. Это также можно достичь путем аккуратного полива водой (возможно, предварительно нагретой) режущей кромки лезвия, как это делается при изготовлении некоторых кукри. Технология дифференциальной закалки возникла в Китае и позже распространилась в Корею и Японию. Этот метод в основном используется в более поздних китайских цзянях, китайских дао, катане — традиционном японском мече, и хукури — традиционном непальском ноже. Большинство лезвий, изготовленных с использованием этой техники, имеют видимые линии цементации. Более ранние китайские цзяни эпохи Древнего Китая (например, эпохи Сражающихся царств до династии Хань) использовали отпуск, а не дифференциальную термическую обработку. Этот метод иногда называют дифференциальным отпуском, но этот термин более точно относится к другой технике, которая возникла с европейскими широкими мечами. Современные варианты дифференциальной закалки были разработаны с появлением источников быстрого нагрева металла, таких как кислородно-ацетиленовые горелки или индукционный нагрев. При помощи методов поверхностной закалки пламенем и индукционной закалки сталь быстро нагревается докрасна в локализованной области, а затем закаляется. Это затвердевает только часть изделия, оставляя остальное без изменений. Дифференциальный отпуск чаще использовался для изготовления режущего инструмента, хотя иногда его применяли и к ножам и мечам. Дифференциальный отпуск достигается путем равномерной закалки меча, а затем отпуска одной его части, например, спинки или центральной части двулезвийных клинков. Обычно это делается с помощью горелки или другого направленного источника тепла. Нагретая часть металла смягчается в результате этого процесса, оставляя режущую кромку с более высокой твердостью.

Сборка лезвия

Дифференциальное закаливание (также называемое дифференциальным охлаждением, селективным охлаждением, селективным закаливанием или локальным закаливанием) наиболее часто используется в кузнечном деле для увеличения вязкости клинка при сохранении очень высокой твердости и прочности режущей кромки. Это помогает сделать клинок очень устойчивым к поломке, делая спинку клинка мягкой и гибкой, но при этом обеспечивая большую твердость режущей кромки, чем было бы возможно при равномерном охлаждении и закалке всего клинка. Это способствует созданию прочного клинка, который будет сохранять очень острую и износостойкую режущую кромку даже при интенсивном использовании, например, в бою.

Изоляционные покрытия

Дифференциально закалённое лезвие обычно покрывается изолирующим слоем, например глиной, но режущая кромка остаётся открытой. Когда лезвие нагревают докрасна и затем быстро охлаждают, режущая кромка остывает быстро, становясь очень твёрдой, а остальная часть – медленно, становясь значительно мягче. Изолирующий слой часто представляет собой смесь глин, золы, порошка полировального камня и солей, которая защищает тыльную сторону лезвия от слишком быстрого охлаждения при закалке. Глину часто наносят кистью, толстым слоем покрывая лезвие в области центра и хребта, но оставляя режущую кромку открытой. Это позволяет режущей кромке быстро остыть, превращая её в очень твёрдую микроструктуру, называемую мартенситом, в то время как остальная часть лезвия остывает медленно, превращаясь в мягкую микроструктуру, называемую перлитом. В результате получается режущая кромка, исключительно твёрдая и хрупкая, но поддерживаемая более мягким и вязким металлом. Однако режущая кромка обычно слишком твёрда, поэтому после закалки всё лезвие обычно подвергают отпуску на короткое время, чтобы снизить твёрдость кромки примерно до HRc60 по шкале твёрдости Роквелла. Если меч не трескается во время закалки, возникающие внутренние напряжения способствуют увеличению вязкости лезвия, подобно увеличению прочности закалённого стекла. Мечу может потребоваться дополнительная обработка после закалки и отпуска для достижения желаемой кривизны, хотя в наше время для этого часто используют электрическую ленточную шлифовальную машину.

Металлография

Дифференциальное закаливание приводит к образованию двух различных зон твердости, которые по-разному реагируют на шлифовку, заточку и полировку. Задняя часть и центр лезвия будут стачиваться намного быстрее, чем режущая кромка, поэтому полировщику необходимо тщательно контролировать угол режущей кромки, что повлияет на геометрию лезвия. Неопытный полировщик может быстро испортить лезвие, прикладывая слишком большое давление к размягченным участкам, быстро изменяя форму лезвия без существенных изменений в закаленной зоне. Хотя и перлит, и мартенсит можно отполировать до зеркального блеска, обычно только спинка и хребет лезвия полируются до такой степени. Закаленная часть лезвия (якиба) и центральная часть (хира) часто получают матовую отделку, чтобы подчеркнуть различия в твердости. Это приводит к тому, что различные микроструктуры по-разному отражают свет при взгляде под разными углами. На перлите остаются более длинные и глубокие царапины, и он выглядит либо блестящим и ярким, либо иногда темным, в зависимости от угла обзора. Мартенсит сложнее поцарапать, поэтому микроскопические абразии меньше. Мартенсит обычно выглядит ярче, но более плоским, чем перлит, и это меньше зависит от угла обзора.

Декоративное закаливание

В Японии, со времен легендарного кузнеца Амакуни, гамоны изначально были прямыми и шли параллельно лезвию, но к XII веку нашей эры кузнецы, такие как Синтого Кунимицу, стали создавать гамоны с очень неправильной формой, что давало как механические, так и декоративные преимущества. К XVI веку японские кузнецы часто слегка перегревали свои мечи перед закалкой, чтобы получить крупную ниё в эстетических целях, хотя больший размер зерна имел тенденцию немного ослаблять клинок. В этот период в Японии стали уделять большое внимание созданию декоративных гамонов, тщательно формируя глину. В эту эпоху стало обычным находить мечи с волнистыми гамонами, изображениями цветов или клевера в линии закалки, «крысиными лапками», деревьями или другими формами. К XVIII веку декоративные гамоны часто комбинировали с декоративными техниками складывания стали, чтобы создавать целые пейзажи, включая отдельные острова, разбивающиеся волны, холмы, горы и реки, а иногда и углубления, вырезанные в глине для создания ниё вдали от гамона, что создавало эффекты, например, птиц в небе.

Преимущества и недостатки

Хотя дифференциальная закалка создает очень твердую режущую кромку, она также оставляет остальную часть меча относительно мягкой, что может сделать его склонным к изгибу под сильными нагрузками, например, при парировании мощного удара. Это также может повысить вероятность сколов или трещин на кромке. Такие мечи обычно можно перетачивать лишь несколько раз, прежде чем обнажится более мягкий металл под режущей кромкой. Однако при правильной защите и уходе эти клинки способны долго сохранять остроту, даже после разрезания костей и плоти, или плотно сплетенного бамбука, используемого для имитации разрезания частей тела, как это практикуется в иайдо.

Твердость пламени

Огневая закалка часто используется для закалки только части детали, быстро нагревая её очень горячим пламенем в локализованной области, а затем охлаждая сталь. Это превращает нагретую часть в очень твердый мартенсит, оставляя остальную часть без изменений. Обычно для достижения таких высоких температур используется кислородно-газовая горелка. Огневая закалка – распространенный метод поверхностной закалки, часто применяемый для получения износостойкой поверхности. Типичное применение – закалка поверхности зубчатых колес, повышающая устойчивость зубьев к эрозии. Обычно зубчатое колесо сначала подвергают закалке и отпуску до определенной твердости, обеспечивая прочность большей части детали, а затем быстро нагревают и немедленно охлаждают зубы, закаляя только поверхность. После этого деталь может быть повторно отпущена для достижения окончательной дифференциальной твердости. Этот процесс часто используется при изготовлении ножей, нагревая только режущую кромку предварительно закаленного и отпущенного клинка. Когда режущая кромка достигает нужной температуры по цвету, её охлаждают, закаляя только кромку, а остальная часть клинка остается более мягкой. Затем нож снова отпускают для получения окончательной дифференциальной твердости. Однако, в отличие от клинка, который был равномерно нагрет и дифференциально закален, огневая закалка создает зону термического влияния. В отличие от ниои, граница между нагретым и охлажденным металлом, формирующаяся в этой зоне термического влияния, вызывает чрезвычайно быстрое охлаждение при закалке. В сочетании с возникающими напряжениями это создает очень хрупкую зону между твердым и мягким металлом, что обычно делает этот метод непригодным для мечей или инструментов, подвергающихся сдвиговым и ударным нагрузкам.

Индукционное закаливание

Индукционное закаливание — это метод поверхностной закалки, использующий индукционные катушки для быстрого нагрева металла. При индукционном нагреве сталь может быть очень быстро нагрета докрасна на поверхности, прежде чем тепло успеет проникнуть вглубь металла. Затем поверхность охлаждается, что обеспечивает её затвердевание, и часто применяется без дополнительного отпуска. Это делает поверхность очень устойчивой к износу, но сохраняет более вязкий металл непосредственно под ней, оставляя основную часть детали практически неизменной. Распространенное применение индукционного закаливания — это закалка подшипниковых поверхностей, или "шеек", на автомобильных коленчатых валах или штоках гидравлических цилиндров.

Дифференциальная закаливание

Дифференциальный отпуск (также называемый градуированным отпуском, селективным отпуском или локальным отпуском) является обратным процессу дифференциальной закалки, и в конечном итоге позволяет достичь схожих результатов. Дифференциальный отпуск начинается с равномерно закаленной и отпущенной стали, которую затем локально нагревают для снижения твердости. Этот процесс часто используется в кузнечном деле для отпуска режущих инструментов, смягчая спинку, хвостовик или дорсальную часть, но одновременно сохраняя высокую твердость режущей кромки. Этот процесс был широко распространен в древней Европе для изготовления инструментов, а затем стал применяться и к ножам и мечам.

Ковачество

Наиболее распространенным применением дифференциальной закалки была термическая обработка режущих инструментов, таких как топоры и зубила, где требуется исключительно твердая режущая кромка, но остальная часть инструмента должна обладать некоторой пластичностью и упругостью. Зубило с очень твердой кромкой дольше сохраняет остроту и способно резать более твердые материалы, но если бы все зубило было слишком твердым, оно бы разрушилось под ударами молотка. Дифференциальная закалка часто использовалась для получения очень твердой режущей кромки, но при этом смягчения частей инструмента, подверженных ударным нагрузкам. Перед дифференциальной закалкой инструмент сначала нагревают докрасна, а затем закаливают, что делает твердым весь инструмент. Это делает инструмент слишком твердым для нормального использования, поэтому его подвергают отпуску для снижения твердости до более подходящего уровня. Однако, в отличие от обычной закалки, инструмент не нагревается равномерно. Вместо этого тепло подается только к части инструмента, позволяя теплу проводить к более холодной режущей кромке. Закаленную сталь сначала шлифуют или полируют, чтобы удалить остатки окалины и обнажить чистый металл. Затем сталь нагревают локально, например, ударную часть зубила или рукоятку топора. Кузнец тщательно контролирует температуру, наблюдая за цветом побежалости стали. При нагревании на стали появляются цвета, от желтого до коричневого, фиолетового и синего, а также множество промежуточных оттенков, которые указывают на температуру стали. По мере нагрева цвета образуются вблизи источника тепла и затем медленно распространяются по инструменту, следуя за тепловым потоком к кромке. Как только желтый или «светло-соломенный» цвет достигает кромки, кузнец прекращает нагрев. Тепло продолжает проводиться, перемещая цвета к кромке еще некоторое время после прекращения нагрева. Когда светло-соломенный цвет достигает кромки, кузнец обычно погружает сталь в воду, чтобы остановить процесс. Это обычно приводит к очень твердой кромке, около HRc58-60 по шкале Роквелла, но оставляет противоположный конец инструмента значительно мягче. Твердость режущей кромки обычно контролируется выбранным цветом, но также зависит главным образом от содержания углерода в стали и множества других факторов. Точная твердость мягкого конца зависит от многих факторов, но основным является скорость нагрева стали или расстояние, на которое распространяются цвета. Светло-соломенный цвет соответствует очень твердой, хрупкой стали, а светло-синий – более мягкой и упругой. После синего цвета, когда сталь становится серой, она становится более пластичной, что обычно нежелательно для зубила. Если сталь слишком мягкая, она может гнуться или деформироваться, пластически деформируясь под ударами молотка.

Направление тепла

Нагрев только в одной области, например, плоского конца кернера, приведет к равномерному распределению марки стали по всей длине инструмента. Поскольку не всегда требуется непрерывная марка стали по всей длине инструмента, были разработаны методы локализации изменения свойств. Инструмент, такой как зубило, можно быстро и равномерно нагреть по всей длине хвостовика, доводя его до фиолетового или синего цвета при закалке, но позволяя остаточному теплу быстро распространиться на небольшое расстояние к режущей кромке. Другой способ – удерживать режущую кромку в воде, сохраняя ее прохладной во время закалки остальной части инструмента. Когда достигается нужный цвет, режущую кромку вынимают из воды и дают ей закалиться от остаточного тепла, а весь инструмент погружают в воду, когда режущая кромка приобретает нужный оттенок. Однако локальный нагрев при таких низких температурах может быть затруднен для более крупных изделий, таких как топор или колун, поскольку сталь может потерять слишком много тепла до того, как оно успеет дойти до режущей кромки. Иногда сталь равномерно нагревают почти до желаемой температуры, а затем проводят дифференциальную закалку, что облегчает контроль изменения температуры. Другой способ – частично погрузить сталь в изолятор, например, песок или известь, чтобы предотвратить чрезмерную потерю тепла во время закалки.

Сборка лезвия

В конечном итоге, этот процесс стали применять к мечам и ножам для получения механических эффектов, схожих с дифференциальной закалкой, но с некоторыми важными отличиями. Для дифференциального отпуска лезвия, его сначала закаливают, чтобы равномерно затвердеть всю сталь. Затем лезвие нагревают локально, позволяя теплу распространяться к режущей кромке. Для односторонних лезвий отпуск можно проводить огнем или горелкой. Нагревают только хребет и хвостовик лезвия, позволяя теплу проводить к режущей кромке. Тепло необходимо подавать равномерно, чтобы цвета распространялись по лезвию равномерно. Однако для двусторонних лезвий источник тепла обычно требуется локализовать более точно, поскольку тепло нужно подавать равномерно по центру лезвия, чтобы оно проводилось к обеим кромкам. Часто для подачи тепла используют раскаленный стержень красного или желтого цвета, располагая его вдоль центра лезвия, как правило, в доле. Современные газовые горелки часто способны создавать очень точное пламя. Чтобы уменьшить потери тепла, лезвие можно предварительно нагреть, частично изолировать или поместить между двумя раскаленными стержнями. Когда нужный цвет достигнет режущей кромки, лезвие погружают в воду для остановки процесса.

Направление тепла

Дифференциальный отпуск может быть затруднен формой клинка. При отпуске двустороннего меча с сужением к концу, острие может достичь нужной температуры раньше, чем хвостовик. Кузнец может контролировать температуру, используя такие методы, как полив водой определенных участков режущей кромки или охлаждение льдом, чтобы обеспечить достижение нужной температуры по всей режущей кромке одновременно. Таким образом, хотя этот процесс занимает меньше времени, чем дифференциальная закалка с использованием глины, кузнец должен быть внимателен и тщательно контролировать нагрев. Это оставляет мало места для ошибок, и ошибки в формировании зоны отпуска сложно исправить. Это становится еще сложнее, если нож или меч имеет изогнутую форму, необычный профиль или заостренное острие. Мечи, отпущенные таким образом, особенно двусторонние, как правило, должны быть достаточно широкими, чтобы обеспечить формирование градиента. Однако дифференциальный отпуск не изменяет форму клинка.

Металлургия

Когда меч, нож или инструмент закаливаются равномерно, весь предмет превращается в мартенсит, который обладает чрезвычайно высокой твердостью, без образования мягкого перлита. Отпуск снижает твердость стали, постепенно превращая мартенсит в микроструктуру, состоящую из различных карбидов, таких как цементит, и более мягкого феррита (железа), формируя микроструктуру, называемую "отпущенным мартенситом". При отпуске высокоуглеродистой стали кузнечным способом цвет дает общее представление о конечной твердости, хотя обычно требуется определенное количество проб и ошибок, чтобы подобрать нужный цвет для конкретной марки стали и добиться требуемой твердости, поскольку на результат влияют содержание углерода, скорость нагрева и даже тип источника тепла. Отсутствие перлита позволяет постепенно отпускать сталь, добиваясь необходимой твердости в каждой области и гарантируя, что ни одна из них не будет слишком мягкой. Например, в боевых мечах, поскольку клинок обычно довольно широкий и тонкий, он может быть склонен к изгибу в бою. Если середина клинка слишком мягкая, этот изгиб может оказаться необратимым. Однако, если меч отпущен до пружинистой твердости, он с большей вероятностью вернется к своей первоначальной форме.

Преимущества и недостатки

Меч, закаленный таким образом, обычно не может иметь столь же острую кромку, как меч с дифференциальной закалкой, например катана, поскольку под кромкой отсутствует более мягкий металл, поддерживающий твердый. Это делает кромку более склонной к сколам больших размеров. Поэтому такая чрезмерно твердая кромка не всегда желательна, так как большая твердость делает ее более хрупкой и менее устойчивой к ударам, например, при разрубании костей, древков древкового оружия, ударах по щитам или при блокировании и парировании. Меч часто подвергают закалке при немного более высоких температурах, чтобы повысить ударопрочность, но при этом снижается способность долго сохранять остроту. Для этого кромку могут закаливать до цвета темной соломы или коричневого, а центр – до синего или фиолетового оттенка. Это может привести к незначительной разнице в цвете между кромкой и центром, и преимущества такого метода по сравнению с равномерной закалкой меча до средней твердости могут быть невелики. При повторной заточке меча, закаленного таким образом, твердость будет снижаться с каждой заточкой, хотя уменьшение твердости обычно не будет заметно, пока не будет удалено значительное количество стали.