热处理是刀剑制造中的重要工艺之一,关乎刀剑性能好坏的灵魂所在。热处理即不改变刀剑本身的形状和整体的化学成分,而是通过改变内部的显微组织,或改变表面的化学成分,赋予或改善使用性能。而这一般不是肉眼所能看到的。但对于刀剑的好坏影响较大,从热处理工艺上亦可看出一个铸剑师的水平。
热处理是将金属(钢材)放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以不同速度冷却的一种工艺方法。
在制作刀具的工艺中,我认为淬火工艺是最复杂和难以控制的。淬火工艺之所以复杂是因为淬火时要得到马氏体,冷却速度就必须大于临界冷却速度,而快速冷却又难免引起较大的内应力,往往造成刀体的变形或开裂,或者使刀的韧性降低,在使用的过程中刃口容易崩裂。如果冷却速度小于临界速度,淬火后就得不到马低体,刀刃的硬度、耐磨性和锋利度又不足。因此,淬火时,冷却速度必须恰到好处,既要保证得到马氏体又要减小变形、防止开裂、保持韧性,这是淬火工艺上最主要的问题。
淬火:将工件加热保温后,在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬,但同时变脆。为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四 把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。“强锻”后,使用特殊淬火剂作“柔化”处理,使剑身刚柔并寓,能屈能伸。属高精工艺,非一般匠工所能得心应手。
钢的过冷奥氏体的等温转变曲线↑↑↑
一、淬火时最理想的冷却速度
为了满足上述要求,我们首先必须掌握钢淬火时最理想的冷却速度。从上面过冷奥氏体的等温转变曲线坐标图我们可以知道,过冷奥氏体在650—500度的范围内转变的速度是最快的,高于这个温度范围和低于这个温度范围,过冷奥氏体都比较稳定,转变速度稍微缓慢。所以淬火时要得到马氏体,并不需要在整个冷却过程中快速冷却,而是在650—500度之间快速冷却,在650度以上可以冷却得慢一点,减少刀体内外温差所引起的热应力,在300度以下又可以冷却得慢一点,避免奥氏体向马氏体转变过程有先后,引起过大的组织应力(在300度以下,钢的塑性小,强度大,在热应力和组织应力的共同作同下,易造成变形和开裂)。综上所述,钢材理想的淬火冷却速度是:从慢(650度以上)到快(650—500度)再到慢(300度以下)的冷却过程。
二、 选择合适的淬火剂和淬火方法
分析各种常用淬火剂的冷却能力和各自的局限性,选择合适的淬火剂和淬火方法,使淬火时钢的实际冷却速度接近理想冷却速度。
1、 水在650-500度的冷却能力很大,很容易淬硬,但在300—150度时冷却速度仍然太快,会残存大量内应力,使刀体韧性不足,严重时淬裂。
2、 油在300—200度的范围的冷却能力较小,不易淬裂,但在650—500度冷却能力不够大,比不上水的冷却能力,不易淬硬。
3、 使用水、油双液淬火法使实际冷却速度接近理想冷却速度。将加热到奥氏体化后的刀先淬入水中,估计冷却到400—300度时迅速转入油中,使过冷奥氏体在油中缓慢转变到马氏体。这样既能保证得到高硬度的马氏体又能保持较好的韧性,降低内应力和防止变形、开裂,是比较理想的淬火方法。关键是在水中停留的时间要掌握好,我一般的经验是1.5秒以下,一般1秒。刀条厚度很大时适当增加水中停留时间,但不要超过1.5秒。经验不足时可以先取几条边角料做样品练习几次,检查硬度后记住最佳时间。
4、 采用自回火的淬火方法,此法之前已经发帖讲过,在此不再赘述
三、自制淬火剂和使用方法
上面说到:钢材理想的淬火冷却速度是:慢(650度以上)—快(650—500度)—慢(300度以下)的冷却过程。为了使淬火时钢的实际冷却速度接近理想冷却速度,应选择合适的淬火方法和淬火剂。
常用的淬火方法有:单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法和等温淬火法几种。一般情况也只能做到前面两种方法,后两种在业余条件下是很难做到的。所以我们必须通选择淬火剂来保证淬火质量。工业上通常是用盐、碱、水玻璃、聚乙烯醇、氯化锌-碱等配制成的水溶液做成的淬火剂。这些淬火剂虽然能满足一般的淬火工艺要求,但其有强腐蚀性,不易清洗等缺点,在应用的过程中,有些需要采取保护措施,因此不适合业余条件下DIY。
关于自己配制的淬火剂
要适合DIY就必须简单有效。刚开始想到了油水混合物,但油水混合后油浮在水上,淬火的过程就变成了先入油后入水,这样就刚好与双液淬火的顺序相反,不可取。最后我想到了平时覆土烧刃时用的黄泥,如果把黄泥均匀的搅拌到水里,效果应该和工业上的水玻璃溶液、聚乙烯醇水溶液差不多,这样的材料易得,适合DIY了,实验证明这种想法是对的。
这里把黄泥配制的淬火剂介绍一下:
第一种方法:把黄泥均匀搅拌到水里,浓度可以根据经验自己定,不同的钢材使用不同的浓度。不同浓度的泥水冷却速度曲线的拐点和斜率不同。因为我在配制的过程没有计量,所以现在不能给大家一个准确的数据。淬火时,把烧红的刀条在空气中却一下,估计到700度时放入配好的泥水中冷却即可。整个冷却过程就接近钢的理想冷却速度。它的原理是:先在空气中缓冷,再泥水中急冷,到达低温区时黄泥在刀表面凝结,阻碍了水的接触,使低温区的冷却速度降低。
第二种方法:在水中放入较多的黄泥,搅拌均匀后静置一段时间,等到黄泥下沉以后可以看到黄泥和清水分成两层,调整清水层厚度为一到二公分左右(视刀体厚度而定)。淬火时把烧红的刀条在空气中冷却一下,估计到700度时把刀条直立放入已分层的泥水中。控制好放入的速度。
此法的原理是:先在空气中缓冷,再入水急冷,最后入泥中缓冷。与第一种方法相比,在鼻温附近(约650-500度)直接入水,冷却速度更快。当第一种淬火硬度不足时用第二种方法。我用此法试淬锻后的弹簧钢板,弹性恢复很好,几乎和原装无异,硬度也足以达到做刀的要求。
单刃刀烧刃淬火的内应力分析及防止淬裂的措施
最近看到有兄弟烧刃时刀刃淬裂,使前期的辛苦劳动毁于一旦,真是痛心疾首!为了避免此类问题的发生,这里谈谈自己烧刃的一点心得,或许对一些需要帮助的朋友有所启发。
应力分析:不管是哪种烧刃方法,目的只有一个:那就是对刀刃进行淬火,以获得高硬度,高耐磨性;而刀身刀背不淬火,以获得良好的韧性,提高刀的抗弯、抗冲击的能力。所以,当我们把烧红的刀条放入淬火剂时,刀刃迅速冷却,尺寸收缩,此时因为刀身和刀背的温度还很高,仍然具有良好延展性和塑性,这时候由于刀刃收缩形成内应力不是很大。当刀刃冷却定形以后,刀背刀身逐渐冷却收缩,整个刀条向后弯曲变形。此时由于刀刃已经淬硬,失去塑性变形的能力,刀刃在刀背收缩应力的作用下很容易被撕裂。(淬火后得到的马氏体本身残存大量的内应力,高硬度高脆性,刀背又比刀刃厚很多,其冷却收缩过程产生的应力足以把刃口撕裂)
防止开裂的措施
从以上的分析可以看出,刀刃淬裂的原因不是因为刀刃冷却收缩时缩裂,而是因为刀背冷却收缩时刀条向后弯曲产生的拉应力把刀刃撕裂,一般开裂的地方主要在刀刃具有弧度转弯的地方,此处应力最集中。避免开裂的措施是利用刀背的余温及时对刀刃进行回火。我一般的做法是:对于单刃刀不用敷土烧刃,以便通过颜色判断温度。把浇红的刀条浸入入水中,刀刃向下,浸入的深度为刀条宽度的一半,有点倾斜,刀尖部分刚好浸入水中为宜,保持1~1.5秒(此时刀刃已经冷却到200度以下,而刀背还处于红色状态),迅速把刀条从水中抬起,两眼紧盯刀条冷区和热区之间的交界线,此时交界线之间会出现一条“彩虹”,在刀背剩余温度的作用下,“彩虹”向刀刃移动,当“彩虹”的金黄*域靠近刃口时再一次把刀刃浸入水中,又迅速抬起来,仍然密切观注“彩虹”的变化,当“彩虹”继续向刃口移动时,再一次把刀刃浸入水中。总之,烧刃结束后,“彩虹”金黄区域刚好进入刃口为最佳!实际操作过程定要做到眼疾手快,如果回火不及时,刀刃可能淬裂,即使不裂,刀刃韧性不足,容易崩口;回火温度过高,淬不硬。不熟悉的刀友可以先随便拿几块铁板试试,看清楚了手熟练了再试刀,以免造成不必要的损失。利用这个方法处理过的轴承钢可以大力劈砍铁丝不卷口不崩刃(粗开刃)。效果非常令人满意。
最后说明
一、以上方法适用于不太长的单刃刀,双刃刀暂时不讨论。
二、不同的钢材回火温度不相同,比如轴承钢为“彩虹”金黄区域到达刃口为最佳,而弹簧钢可以蓝色接近刃口。关于回火色标温度,以后有机会再述。
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