Цвета побежалости стали: таблица и практическое значение

Если зачищенную до блеска стальную деталь положить на горячую плиту, через минуту-другую металл сам начнёт менять оттенок: сначала едва желтеет, потом становится золотистым, коричневым, фиолетовым и, наконец, ярко-синим. Эти оттенки и называют цветами побежалости. Кузнецы и инструментальщики веками отпускали по ним резцы и пружины, сварщики по ним судят о перегреве нержавейки и качестве защиты титана, токари — о том, что инструмент пора менять. Разберём, почему металл меняет цвет, какому цвету соответствует какая температура, где этот признак полезен, а где вводит в заблуждение, и чем его заменяют на производстве.

Почему сталь меняет цвет

Краски здесь нет. При нагреве кислород воздуха соединяется с железом, и на поверхности вырастает прозрачный слой оксида толщиной в доли микрометра. Свет частично отражается от верхней границы этого слоя, частично — от металла под ним. Две отражённые волны складываются, и для одних длин волн усиливают друг друга, для других гасят. Глаз видит то, что осталось, — цвет, который определяется толщиной слоя.

Слой растёт с температурой и со временем, поэтому оттенок меняется в строгой последовательности: светло-жёлтый, соломенный, коричневый, пурпурный, синий, затем серый. Такой слой настолько тонок, что почти не защищает от ржавчины и стирается при первой же шлифовке.

Цвет и температура для углеродистой стали

Оттенок	Примерная температура	Как это используют
Соломенный	около 220 °C	самый «твёрдый» отпуск — режущий инструмент
Коричневый	около 240 °C	инструмент, которому нужно чуть больше вязкости
Пурпурный	около 260 °C	переход к деталям, работающим на удар
Синий	около 300 °C	упругие детали, у которых важна вязкость
Светло-серый	330–350 °C	граница, после которой цвет уже мало что говорит

Температуры для углеродистой стали приведены по Большой российской энциклопедии. Колонка «как используют» — это традиционная практика мастерских, а не норматив. Выше 350 °C радужный оттенок пропадает, и дальше металл просто темнеет, а потом покрывается окалиной.

Где цвет врёт

Энциклопедия прямо предупреждает: цвет побежалости зависит не только от температуры. Из-за этого таблица — ориентир с погрешностью в десятки градусов.

• Время. Слой оксида утолщается и без повышения температуры. Деталь, которую долго держали при 220 °C, может «уйти» в коричневый — и мастер решит, что перегрел;
• Легирование. Хром, никель и другие элементы тормозят окисление. На легированных, а особенно на высоколегированных сталях тот же оттенок появляется при заметно более высокой температуре, и таблица для простой углеродистой стали к ним неприменима;
• Поверхность. Окалина, ржавчина, масло, следы грубой обработки маскируют цвет;
• Свет. При тёплых лампах и при дневном свете оттенки воспринимаются по-разному.

Отпуск по цвету: как это делают в мастерской

Закалённая сталь твёрдая и хрупкая. Отпуск — повторный, но умеренный нагрев — снимает напряжения и уменьшает хрупкость ценой части твёрдости: чем выше нагрев, тем мягче и вязче металл.

1. Деталь после закалки зачищают на рабочем участке до металлического блеска;
2. Греют медленно и равномерно — на плите, в песке, в небольшой печи. Горелкой можно, но тогда цвета бегут от горячего места полосами, и греть приходится с обратной стороны;
3. Следят за оттенком при рассеянном дневном свете;
4. Как только появился нужный цвет, нагрев сразу прекращают: пока металл горячий, слой продолжает расти;
5. Для ответственной детали проверяют результат твердомером — только он скажет, получилось ли то, что нужно.

Такой способ годится для простых углеродистых инструментальных сталей. Для легированных и быстрорежущих марок режим отпуска берут из технологии, а не «на глаз». Подробнее о закалке и отпуске — в статье о видах термообработки, о связи отпуска и твёрдости — в статье о твёрдости стали.

Цвет у сварного шва

Вдоль шва металл нагревается неравномерно, и полосы цветов показывают, как далеко ушло тепло. Для разных металлов эта картина значит разное:

• Обычная сталь. Цвета у шва — нормальная история, на прочность не влияют. Перед покраской их снимают вместе с окалиной;
• Нержавейка. Цветная полоса означает, что поверхность окислилась и обеднела хромом, а значит, в этом месте сталь хуже сопротивляется коррозии. Чем темнее и шире полоса, тем хуже. На пищевом и химическом оборудовании её обязательно удаляют — травлением или механически — и затем пассивируют поверхность;
• Титан. Здесь цвет — прямой контроль качества: блестящий светлый шов говорит о надёжной защите аргоном, а синие, фиолетовые и серые оттенки — об окислении и охрупчивании.

Как восстановить защитный слой нержавейки после сварки — в статье о пассивации нержавейки, как читать цвет титанового шва — в статье о сварке титана.

Цвета при резании и шлифовании

Синяя стружка при точении — не всегда беда: при высоких скоростях она греется сильнее детали. Но если цвета побежалости появились на самой обработанной поверхности, это сигнал перегрева: затупился инструмент, слишком агрессивный режим или не хватает охлаждения. На закалённых деталях перегрев при шлифовании отпускает тонкий поверхностный слой — образуется прижог, и твёрдость в этом месте падает.

Чем контролируют температуру вместо цвета

Инструмент	Принцип	Где удобен
Термопара с регулятором	непрерывное измерение в печи или на детали	серийная термообработка с точным режимом
Пирометр	бесконтактный замер по тепловому излучению	крупные детали, сварка, быстрая проверка
Термокарандаш или термокраска	метка плавится или меняет цвет при заданной температуре	подогрев под сварку, разовый контроль
Цвет побежалости	толщина оксидного слоя на чистой поверхности	мастерская, углеродистая сталь, грубая оценка

Современная печь держит температуру с точностью до нескольких градусов, а цвет — с разбросом в десятки. Поэтому в промышленности цвета побежалости остались вспомогательным признаком.

Декоративная побежалость и её удаление

Ровный синий оттенок иногда получают специально — как отделку деталей. Но такой слой не защищает от влаги, и деталь дополнительно покрывают маслом или лаком; для улицы он не годится — там нужны цинкование, покраска или оксидирование. На нержавейке, наоборот, побежалость почти всегда считается дефектом.

Снимают цвета тремя способами: механически — шлифовкой, полировкой, щётками (для нержавейки — инструментом, не касавшимся обычной стали); химически — травильными пастами и растворами с последующей промывкой; электрохимически — электрополировкой, которая заодно выравнивает поверхность.

Миф: по цвету побежалости можно точно определить температуру любой стали. Соответствие «соломенный — около 220 °C, синий — около 300 °C» верно только для углеродистой стали и только приблизительно: на оттенок влияют время выдержки, чистота поверхности и освещение, а на легированных сталях те же цвета появляются при более высокой температуре. Для точного отпуска нужны термопара, печь с регулятором или пирометр, а цвет — лишь быстрый ориентир.

Частые вопросы

При какой температуре сталь становится синей?

Простая углеродистая сталь синеет примерно при 300 °C. Легированные стали дают этот цвет при более высокой температуре.

Что значит соломенный цвет на стали?

Нагрев углеродистой стали примерно до 220 °C. Это первый отчётливый оттенок и традиционный цвет отпуска режущего инструмента.

Почему у нержавейки цвета появляются при другой температуре?

Хром и другие легирующие элементы замедляют рост оксидного слоя, поэтому тот же оттенок требует более сильного нагрева.

Надо ли удалять цвета побежалости после сварки нержавейки?

На ответственных изделиях — да: в цветной зоне ниже стойкость к коррозии. Её снимают травлением или механически и затем пассивируют.

Можно ли отпускать инструмент только по цвету?

Простой углеродистый инструмент в мастерской — можно, с проверкой твёрдости после. Для легированных и быстрорежущих сталей режим берут из технологии и контролируют приборами.

Чем точнее всего контролировать отпуск?

Термопарой в печи с регулятором. Пирометр и термокарандаши подходят для быстрых проверок.

Почему поверхность детали посинела после шлифовки?

Это перегрев в зоне обработки. На закалённой детали он может снизить твёрдость тонкого поверхностного слоя.

Побежалость: радужные оттенки на нагретой стали — это интерференция света в тонком оксидном слое, толщина которого растёт с температурой и временем; для углеродистой стали соломенный цвет означает около 220 °C, коричневый — 240, пурпурный — 260, синий — 300, светло-серый — 330–350 °C, а легированные стали дают те же цвета при более сильном нагреве; цвет полезен как быстрый ориентир при отпуске, как признак окисления у шва нержавейки и титана и как сигнал перегрева при резании, но точный режим задают приборы.

Практика МТМ: выполняем термообработку — закалку, отпуск, нормализацию — с контролем режима и твёрдости, сварку чёрных и нержавеющих сталей, токарную и фрезерную обработку деталей по чертежу из металла с собственного склада в Санкт-Петербурге. Пришлите чертёж с требованиями по твёрдости — рассчитаем стоимость и срок. Через форму на сайте или по телефону +7 (812) 409-45-58.