Охолодження при загартуванні. Загартування сталі в різних середовищах

Режим охолодження при загартуванні повинен насамперед забезпечити необхідну глибину прожарювання. З іншого боку, режим охолодження повинен бути таким, щоб не виникали сильні загартовані , що призводять до короблення виробу та утворення тріщин загартування.

Гартувальні напруги складаються з термічних і структурних напруг. При загартуванні завжди виникає перепад температур перерізу виробу. Різна величина термічного стискування зовнішніх і внутрішніх верств у період охолодження зумовлює виникнення термічних напруг.

Мартенситне перетворення пов'язане із збільшенням обсягу на кілька відсотків.Поверхневі шари раніше досягають мартенситної точки, ніж серцевина виробу. Мартенситне перетворення та пов'язане з ним збільшення обсягу відбувається в різних точках перерізу виробу не одночасно, що призводить до виникнення структурних напруг.

Сумарні загартовані напруги зростають зі збільшенням температури нагріву під загартування і з підвищенням швидкості охолодження, так як в обох випадках зростає перепад температур перерізу виробу. Збільшення перепаду температур призводить до зростання термічних та структурних напруг.

Для сталей найімовірніше виникнення загартованих напруг в інтервалі температур нижче мартенситної точки, коли з'являються структурні напруження і утворюється тендітна фаза - мартенсит. Вище мартенситної точки виникає тільки термічна напруга, причому сталь знаходиться в аустенітному стані, а аустеніт пластичний.

Як показує С-діаграма, швидке охолодження необхідно в районі найменшої стійкості переохолодженого аустеніту. Більшість сталей цей район перебуває у інтервалі 660 — 400 °З. Вище та нижче цього інтервалу температур аустеніт набагато стійкіший проти розпаду, ніж біля вигину С-кривої, і виріб можна охолоджувати відносно повільно.

Повільне охолодження особливо важливо проводити, починаючи з температур 300 - 400 ° С, за яких у більшості сталей утворюється мартенсит. При уповільненому охолодженні вище вигину С-кривої зменшуються тільки термічні напруги, а в мартенситному інтервалі знижуються і термічні, і структурні напруги.

Як гартових середовищ найбільш широко використовують холодну воду, 10%-ний водний розчин NaOH або NaCl і олії.

Швидкість охолодження стали у різних середовищах

У таблиці наведено значення швидкості охолодження невеликих сталевих зразків двох температурних інтервалах для різних середовищ. Поки не знайдено такої загартованої рідини, яка б швидко охолоджувала б у перлітному інтервалі температур і повільно — у мартенситному.

Холодна вода- Найдешевший і дуже енергійний охолоджувач. Вона швидко охолоджує і в перлітному, і мартенситному інтервалах температур. Висока охолодна здатність води пояснюється низькою температурою та величезною теплотою кипіння, малою в'язкістю та порівняно великою теплоємністю.

Добавки солі або лугу збільшують здатність охолоджувальної води в перлітному інтервалі.

Головний недолік води- Велика швидкість охолодження в мартенситному інтервалі.

Мінеральне масло повільно охолоджує в мартенситному інтервалі (це його головна перевага), але воно повільно охолоджує і в перлітному інтервалі (це його основний недолік). Тому масло застосовують для гартування сталей з гарною гартуванням.

Нагріта вода не може замінити масло, оскільки нагрівання різко зменшує швидкість охолодження в перлітному інтервалі, але майже не змінює її в мартенситному інтервалі.

«Теорія термічної обробки металів»,
І.І.Новіков

Так як немає такого гартуючого середовища, яке давало б швидке охолодження в інтервалі температур 650 - 400 ° С і повільне охолодження вище і головним чином нижче цього інтервалу, то застосовують різні способи загартування, що забезпечують необхідний режим охолодження. Загартування через воду в масло Загартування через воду в масло (загартування у двох середовищах): 1 — нормальний режим;

У багатьох сталях мартенситний інтервал (Мн - Мк) тягнеться до негативних температур (дивіться малюнок Залежність температур). У цьому випадку в загартованій сталі міститься залишковий аустеніт, який можна додатково перетворити на мартенсит, охолоджуючи виріб до температур нижче кімнатної. По суті, така обробка холодом (запропонована в 1937 р. А. П. Гуляєвим) продовжує гартоване охолодження, перерване при кімнатній кімнаті.

Багато виробів повинні мати високу поверхневу твердість, високу міцність поверхневого шару та в'язку серцевину. Таке поєднання властивостей на поверхні і всередині виробу досягається поверхневим загартуванням. Для поверхневого гарту сталевого виробу необхідно нагріти вище точки Аc3 тільки поверхневий шар заданої товщини. Цей нагрів повинен здійснюватися швидко і інтенсивно, щоб серцевина внаслідок теплопровідності також не прогрілася до…

Загартуванням сталіназивають таку операцію термічної обробки, при якій сталеві деталі нагрівають до температури, трохи вище критичної, витримують при цій температурі і потім швидко охолоджують у воді або олії.

Основне призначення гарту- одержання сталі з високими твердістю, міцністю, зносостійкістю та іншими властивостями. Якість загартуваннязалежить від температури та швидкості нагрівання, часу витримки та швидкості охолодження.

Температуру нагріву під загартування для більшості сталей, у тому числі і легованих, визначають за становищем критичних точок А с1 і А с3. Для вуглецевих сталей температуру загартуванняможна легко встановити за діаграмою залізо-вуглець.

Швидкорізальні, нержавіючі та інші спеціальні сталі загартовують при більш високих температурах нагріву, ніж вуглецеві та низьколеговані конструкційні та інструментальні. Наприклад, для нержавіючої сталі марки 4Х13 температура під загартування береться 1050 - 1100°С.

Швидкість нагріву

Гартувальні середовища.

Швидкість охолодження стали залежно від гартових середовищ

З таблиці видно, що в 10-відсотковому водному розчині їдкого натру або кухонної солі швидкість охолодження сталі в області трооститних перетворень (600-600°С) у два рази більша за швидкість охолодження в прісній воді. В області мартенситних перетворень (300-200 ° С) солона та прісна вода охолоджують сталь майже однаково. Ця перевага водних розчинів солей використовується у практиці термічної обробки. Однак термісти найчастіше застосовують 5-10-відсотковий розчин кухонної солі, оскільки він не роз'їдає сталь і не діє на руки робітників, як знежирюючий їдкий натр (каустик).

Для гартування інструменту зі сталей У10, У12 водні розчини, щоб зменшити жолоблення сталевих деталей, зазвичай підігрівають до 30°С.

На відміну від води здатність масла, що гартує, мало залежить від температури, а швидкість охолодження в маслі в багато разів менша, ніж у воді. Тому, щоб зменшити напругу і уникнути утворення загартованих тріщин, для гарту легованих сталей з нижчою теплопровідністю, ніж у вуглецевих сталей, використовують мінеральну олію - веретену № 2 і 3. За відсутності олії рекомендується застосовувати гарячу воду (80°С).

Для отримання стабільних результатів при загартуванні необхідно користуватися одним сортом олії, періодично змінюючи її або освіжаючи.

Слід зазначити, що в процесі охолодження при загартуванні у воді навколо деталей утворюється провідником тепла, швидкість охолодження сталі різко зменшується. Крім того, парова сорочка погіршує прожарювання сталі, призводить до появи м'яких плям на поверхні деталей, що загартовуються, а іноді і тріщин. Тому досвідчені термісти зазвичай гартують деталі в воді, що циркулює, безперервно переміщуючи їх у вертикальному або горизонтальному напрямках.

Внутрішня напруга.

У процесі термічної обробки, внаслідок неодночасності перетворень і теплового розширення та стиснення, у різних точках оброблюваної деталі виникають внутрішні напруження. Напруги можуть перевищувати як межа пружності чи межа плинності, а й опір руйнації. У разі внутрішні напруги утворюють тріщини і навіть руйнують деталь.

Внутрішня напруга може бути двох видів - термічні та структурні. Термічні внутрішні напруги виникають внаслідок нерівномірності, охолодження поверхні деталі та її внутрішніх шарів.

Якщо деталь має суцільний переріз, то при будь-якому охолодженні поверхня охолоджується швидше, а серцевина – повільніша. В результаті під час охолодження деталь матиме різні температури та різний питомий об'єм у різних точках перерізу. Ця різниця температур буде тим більше, чим більше відрізняються швидкість охолодження на поверхні від швидкості охолодження в центрі деталі.

Сталі, леговані хромом, молібденом, вольфрамом, мають меншу теплопровідність, ніж вуглецеві, і при загартуванні швидкість їх охолодження на поверхні деталі і в центрі буде дуже велика.

Для зменшення швидкості охолодження при загартуванні та зниження напруги в них такі деталі з легованої сталі піддаються повільному охолодженню тільки в маслі або струмені повітря.

Структурні внутрішні напруги, як і термічні напруги, виникають внаслідок неодночасності перетворень під час охолодження металу і внаслідок різних структурних перетворень у різних точках перерізу деталі.

Так, при охолодженні високовуглецевої сталі, нагрітої вище критичної точки, аустеніт перетворюється на мартенсит і ці перетворення супроводжуються зміною обсягу (освіта мартенситу завжди збільшує обсяг). Поверхневі шари, де перетворення закінчуються рано, охолоджуючись, відчувають напруги, що розтягують, від проміжної зони, в якій перетворення тривають. З часом перетворення охоплюють дедалі глибші шари деталі і доходять до серцевини. Але цим перетворенням у серцевині перешкоджають зовнішні остиглих шарів. Отже, в серцевині наростають стискаючі напруги, а з поверхні момент, що розтягує, найбільшої різниці напруг завжди небезпечний, так як часто викликає появу в металі тріщин. Встановлено, що тріщини викликають напругу, що не стискає, а розтягує.

На величину залишкової напруги впливає ряд факторів. Найбільш істотними з них є: властивості сталі (прожарювання, температура мартенситного перетворення, коефіцієнт лінійного розширення), середовище та умови охолодження, а також форма та розмір деталі.

Способи загартування.

Під способами загартування мають на увазі способи охолодження деталей в гартувальному баку і вибір гартувального охолодження для отримання заданої структури металу. Чим складніше формою деталь, тим серйозніше слід підходити до вибору її охолодження. Різкі переходи в перерізах деталей, сприяють різних способів загартування, концентрації внутрішніх напруг. Тому потрібно вибирати такий спосіб загартування, щоб деталі виходили з гарною твердістю, необхідною структурою та без тріщин.

Основними способами загартування стали є: загартування в одному охолоджувачі, у двох середовищах, струменеве, з самовідпусткою, ступінчасте та ізотермічне загартування.

Загартування в одному охолоджувачі-Найпростіший і поширений спосіб. Деталь, нагріту до температури загартування, занурюють у загартовану рідину, де вона знаходиться до охолодження. Цей спосіб використовують при загартуванні нескладних деталей, виготовлених з вуглецевих та легованих сталей. Деталі з вуглецевих сталей охолоджуються у воді (крім деталей діаметром трохи більше 3-5 мм);а деталі з легованих сталей – у маслі. Можна використовувати такий спосіб і при механізованому загартуванні, коли деталі автоматично надходять з агрегату в загартову рідину.

Для високовуглецевих сталей такий спосіб загартування неприйнятний, тому що в процесі загартування створюються великі внутрішні напруження. Високовуглецеві сталі гартують з підстуджуванням, тобто нагріту деталь перед охолодженням деякий час витримують на повітрі. Це зменшує внутрішні напруги в деталях та гарантує їх від утворення тріщин.

Загартуванняу двох середовищах, або переривчасте загартування, - це спосіб, при якому деталь спочатку охолоджують в одному гартовому швидкоохолодному середовищі - воді, а потім переносять її в повільноохолоджувальне середовище - масло . Він застосовується при загартуванні інструменту, виготовленого з високовуглецевої сталі.

Нестача переривчастого загартування полягає в тому, що важко встановити час перебування деталі в першій рідині, що охолоджує, так як воно дуже незначно (1 сек. на кожні 5-6 ммдіаметра чи товщини деталі). Зайва витримка у воді веде до збільшення короблення та появи тріщин.

Застосування переривчастого гарту вимагає від терміста високої кваліфікації та досвіду.

Струмчастазагартуванняздійснюється охолодженням деталей, нагрітих до температури загартування, струменем води. Такий спосіб застосовують для загартування внутрішніх поверхонь, висадочних штампів, матриць та іншого штампового інструменту, у якого робоча поверхня повинна мати структуру мартенситу.

При струменевому загартуванні парова сорочка не утворюється, що забезпечує більш глибоке прожарювання, ніж при простому загартуванні у воді. Швидкість охолодження при цьому залежить від температури, напору води, діаметра і кількості отворів в бризкалі і від кута, утвореного струменем води з поверхнею, що охолоджується деталі.

Загартуванняз самовідпусткою- це спосіб, який полягає в тому, що деталі витримують в охолодному середовищі не до повного охолодження, тобто в певний момент припиняють охолодження, щоб зберегти в серцевині деталі тепло, необхідне для самовідпустки. Цей момент встановлюється досвідченим шляхом, тому якість термічної обробки багато в чому залежатиме від майстерності терміста.

Контроль за температурою відпустки при цьому способі загартування здійснюється за кольорами втечі, що виникають на світлій поверхні деталі. Поява кольорів втечі при температурі 200-300 ° С пояснюється утворенням на поверхні сталі тонкої плівки оксиду, колір якого залежить від його товщини. Наприклад, за невеликий проміжок часу при 220 ° С сталь покривається шаром оксиду, товщиною 400-450 ангстрем, який надає поверхні світло-жовтий колір.

Загартування з самовідпусткою застосовують тільки для гарту ударного інструменту - зубил, борідків, кернів і т.д., так як у такого інструменту твердість повинна рівномірно і поступово знижуватися (від робочої частини до хвостової).

Ступінчастазагартування- це такий спосіб, при якому нагріті деталі охолоджують в загартованому середовищі, що повільно охолоджує (наприклад, розплавлена ​​сіль, гаряча олія), що має температуру для даної сталі вище мартенситної точки М н.За час короткої витримки в гарячому середовищі (маслі) температура вирівнюється, причому це відбувається раніше ніж починається мартенситне перетворення. Після цього здійснюється остаточне, зазвичай повільне охолодження, під час якого деталь загартовується.

Ступінчасте загартування сприяє зменшенню внутрішніх напруг, що відбуваються завдяки незначній швидкості охолодження. В результаті зменшується деформація деталей і майже повністю виключається можливість появи загартованих тріщин.

Ступінчасте загартування широко застосовують у масовому виробництві, особливо при виготовленні інструменту. Вона дозволяє правити і рихтувати деталі в гарячому стані, тому що в момент перетворення сталь має велику пластичність.

Для ступінчастого гарту доцільніше використовувати глибоко прожарюються вуглецеві і леговані сталі марок 9ХС, ХГ, ХВГ та ін.

Ізотермічназагартування- це спосіб, що полягає у нагріванні деталей до заданої температури та охолодженні в ізотермічному середовищі до 220-350°С, що дещо перевищує температуру початку мартенситного перетворення.

Витримка деталей у загартованому середовищі при такому загартуванні повинна бути достатньою для повного перетворення аустеніту на голчастий троостит. Після цього проводиться охолодження повітря. При ізотермічному загартуванні витримка при температурі сходинки значно більша, ніж при ступінчастому загартуванні.

Гартувальні середовища для ізотермічного гарту ті ж, що і для ступінчастої. Після ізотермічного гарту сталь набуває високу твердість і більш високу в'язкість.

При ізотермічному загартуванні необхідна досить висока і рівномірна швидкість охолодження, що досягається застосуванням ванн з гартовим середовищем, що інтенсивно перемішується.

Ізотермічну загартування використовують при термічній обробці, коли потрібно отримати деталі з максимальною міцністю, достатньою пластичністю та в'язкістю. Найбільш доцільно застосовувати ізотермічне гартування для тих сталей, які мають невелику стійкість аустеніту в області ізотермічної витримки.

Дефекти, що виникають при загартуванні.У процесі загартування при охолодженні сталі в результаті структурних перетворень та зміни обсягу металу з'являються внутрішні напруження. Ці напруги призводять до наступних дефектів: утворенню тріщин, деформації та короблення, зміни об'єму сталі, обезуглерожування та окислення, появи м'яких плям, низької твердості та перегріву.

Гартувальнітріщини- це невиправний шлюб, що утворюється у процесі термічної обробки. У великих деталях, наприклад в матрицях і штампах, загартовані тріщини можуть з'являтися навіть при загартуванні в маслі. Тому такі деталі доцільно охолоджувати до 150-200°З швидким наступним відпусткою.

Тріщини виникають при неправильному нагріванні (перегріванні), великій швидкості охолодження та при невідповідності хімічного складу сталі.

Гартувальні тріщини виникають також при неправильній конструкції деталей, різких переходах, грубих ризиках, що залишилися після механічної обробки, гострих кутах, тонких стінках і т.д.

Гартувальні тріщини утворюються найчастіше при занадто різкому охолодженні або нагріванні в результаті виникають в деталях внутрішніх напруг. Це часто спостерігається при загартуванні легованих сталей. Тому деталі з цих сталей нагрівають повільніше, ніж з вуглецевих, і рівномірніше.

Гартувальні тріщини зазвичай розташовуються в кутах деталей і мають дугоподібний або звивистий вигляд.

У заводській практиці часто зустрічаються поверхневі тріщини, які зазвичай розташовуються у вигляді суцільної або розірваної сітки. Такі тріщини виникають у процесі поверхневого гарту при нагріванні струмами високої частоти або газополум'яного гарту, коли охолодження ведеться занадто холодною водою, а також при перегріві металу.

Поверхневі тріщини можуть виникати не тільки в процесі термообробки, але і при шліфуванні загартованих деталей, якщо вони були неправильно відпущені.

Рівномірна відпустка після гарту та правильні режими шліфування повністю усувають виникнення тріщин.

Щоб уникнути браусі ділянки (частини) деталей, на яких зазвичай з'являються тріщини, обмотують азбестовим шнуром і замазують вогнетривкою глиною. Суворе виконання технологічних режимів гарту може скоротити кількість бракованих деталей до мінімуму.

Деформаціята викривленнядеталей відбуваються в результаті нерівномірних структурних та пов'язаних з ними об'ємних перетворень та виникнення внутрішніх напруг при охолодженні.

При загартуванні сталі, короблення у багатьох випадках відбувається і без значних об'ємних змін, внаслідок нерівномірного нагрівання та охолодження деталей. Якщо, наприклад, деталь невеликого перерізу і великої довжини нагрівати тільки з одного боку, вона згинається, нагріта сторона при цьому подовжується завдяки тепловому розширенню і стає опуклою, а протилежна - увігнутою. При односторонньому охолодженні в процесі загартування (особливо у воді) швидко охолоджена сторона деталі за рахунок теплового стиснення стане увігнутою, а зворотний бік - опуклою. Отже, нагрівати та охолоджувати деталі при загартуванні слід рівномірно.

На деформацію особливо великий вплив має спосіб охолодження. Тому при зануренні деталей та інструменту в загартоване середовище треба враховувати їх форму та розміри. Наприклад, деталі, що мають товсті і тонкі частини, занурюють у загартоване середовище спочатку товстою частиною, довгі осьові деталі (ходові гвинти, штоки, протяжки, свердла, мітчики і т. д.) - у вертикальному положенні, а тонкі плоскі деталі (диски , відрізні фрези, пластинки та ін.) - ребром.

Дуже велике значення для зменшення деформацій та короблення деталей мають правильно вибрані та виготовлені пристрої.

При газовій цементації та нітроцементації зубчастих коліс, шліцевих та шестеренних валиків, поршневих пальців, хрестовин та інших деталей простої та складної конфігурації застосовуються спеціальні та універсальні пристрої.

Для цементації ресорних пальців використовуються пристрої з отворами.

Шестеренні валики зазвичай піддаються хіміко-термічній обробці в універсальних пристосуваннях.

При масовому виробництві кожної деталі виготовляються спеціальні пристосування. Вартість їх виготовлення швидко окупається. При серійному виробництві, коли обробляються великі партії різноманітних деталей, економічніше мати універсальні пристосування.

Пристосування виготовляються литі та зварені з жаротривкого сплаву Х18Н25С2.

Багато деталей - зубчасті колеса, диски, плити, щоб уникнути короблення, загартовуються в спеціальних пресах у штампах.

Обезуглерожуваннявідбувається в основному при нагріванні в електричних печах та рідких середовищах (соляних ваннах). Обезуглероживание інструменту - найсерйозніший дефект при загартуванні, оскільки він кілька разів знижує стійкість інструмента. Однак помітити такий дефект на готовому інструменті важко.

На деталях з конструкційних сталей окислення та обезуглерожування легко виявити під час виготовлення мікрошліфа.

М'якіплями- Це ділянки на поверхні деталі або інструменту зі зниженою твердістю. Причинами такого дефекту можуть бути наявність на поверхні деталей окалини та забруднень, викликаних зіткненням деталей один з одним у процесі охолодження в загартованому середовищі, ділянки з обезуглероженной поверхнею або недостатньо швидкий рух деталей у загартованому середовищі (парова сорочка). М'які плями повністю усуваються при струменевому загартуванні та в підсоленій воді.

Низькатвердістьнайчастіше спостерігається при загартуванні інструменту. Причинами низької твердості є недостатньо швидке охолодження в загартованому середовищі, низька температура загартування, а також мала витримка при нагріванні під загартування. Щоб виправити цей дефект, деталі або інструмент спочатку піддають високій відпустці при температурі 600-625 ° С, а потім - нормальному загартування.

Перегрівпри загартуванні викликає крупнозернисту структуру з блискучим зламом і, отже, погіршує механічні властивості сталі. Для подрібнення зерна та підготовки структури для повторного гарту перегріту сталь необхідно піддавати відпалу.

Недогріваннявиходить у тому випадку, якщо температура загартування була нижчою за критичну точку. А С3-для доевтектоїдних сталей та А з- заевтектоїдних сталей.

При недогріві структура загартованої сталі складається з мартенситу та зерен фериту, який, як відомо, має низьку твердість.

Недогрівання можна виправити відпалом з наступним нормальним загартуванням.

Швидкорізальні, нержавіючі та інші спеціальні сталі загартовують при більш високих температурах нагріву, ніж вуглецеві та малолеговані конструкційні та інструментальні. Наприклад, для нержавіючої сталі марки 4Х13 температура під загартування береться 1050 - 1100°С.

Швидкорізальну сталь Р18 загартовують при температурі 1260 - 1280 ° С (для інструменту діаметром 10 - 15 мм - свердлів, розгорток і т. д.) і 1280 - 1300 ° С (для інструменту простої форми - різців). Така висока температура нагрівання під загартування швидкорізальної сталі необхідна для того, щоб повніше розчинити надлишкові карбіди і більше перевести їх у твердий розчин хрому, вольфраму, ванадію та інших легуючих елементів, що входять до складу сталі.

Швидкість нагріву. Нагрів сталі визначається не тільки допустимою, а й можливо швидкістю нагріву. Допустима швидкість повинна бути такою, щоб нагрівання не викликало великої напруги, що призводять до утворення тріщин в деталях.

Швидкість нагрівання залежить від форми дітелів, типу нагрівальних печей та нагрівального середовища. Наприклад, куля нагрівається втричі, а циліндр - удвічі повільніше, ніж платівка. Зі збільшенням швидкості нагрівання продуктивність нагрівальних печей та агрегатів теж підвищується.

Швидкість нагрівання залежить також від розташування деталей у печі. Якщо деталі щільно розташовують одна до одної і заважають необхідному доступу тепла, то знадобиться більше часу для їх прогріву.

Для розрахунку часу нагрівання деталей термісти зазвичай користуються технологічними картами.

У технологічну карту входить перелік всіх операцій обробки деталі або групи деталей із зазначенням докладних даних за цими операціями (температура, час витримки, середовище та температура охолодження та застосовувані пристрої).

Середній час нагрівання деталей з вуглецевих сталей під загартування в різних середовищах.

Час нагріву деталей під загартування в різних середовищах

Для проведення будь-якого теплового процесу термічної обробки потрібно не тільки нагрівати метал до заданої температури, але й витримувати за цієї температури до повних структурних перетворень (розчинення карбідів, гомогенізації аустеніту) та повного прогрівання деталей. Таким чином, загальний час перебування деталей в нагрівальному середовищі складається з часу нагріву та часу витримки.

Гартувальні середовища.Для охолодження сталевих деталей при загартуванні зазвичай застосовують різні загартовані середовища: воду, водні розчини солей, розплавлені солі, мінеральні масла і т.д. від нагрітих під загартування деталей.

Найкращим гартовим середовищем вважається та, яка швидко охолоджує сталь в інтервалі температур 650-500 ° С (область найменшої стійкості аустеніту) і повільно - нижче 300-200 ° С (область мартенситного перетворення). Однак єдиного, універсального гартувального середовища поки що немає, тому на практиці користуються різними середовищами.

Одним з найбільш поширених способів термообробки металів є загартування сталі. Саме за допомогою загартовування формуються необхідні характеристики готового виробу, а її неправильне виконання може призвести до зайвої м'якості металу (непрожарювання) або його надмірної крихкості (перекалювання). У нашій статті мова піде про те, що таке правильне загартування і що потрібно зробити, щоб його виконати.

Яким буває загартування металу

Про те, що вплив високої температури на метал може змінити його структуру та властивості, знали ще давні ковалі та активно використовували це на практиці. Надалі вже науково було встановлено, що загартування виробів, виготовлених зі сталі, що передбачає нагрівання та подальше охолодження металу, дозволяє значно покращувати механічні характеристики готових виробів, значно збільшувати термін їхньої служби і навіть у результаті зменшувати їхню вагу за рахунок збільшення міцності деталі. Що примітно, загартування деталей з недорогих сортів сталі дозволяє надати їм необхідних характеристик і успішно використовувати замість дорогих сплавів.

Сенс процесу, який називається загартування виробів із сталевих сплавів, полягає у нагріванні металу до критичної температури та його подальшому охолодженні. Основна мета, яка переслідується такою технологією термообробки, полягає у підвищенні твердості та міцності металу з одночасним зменшенням його пластичності.

Існують різні види загартування та наступної відпустки, що відрізняються режимами проведення, які визначають кінцевий результат. До режимів гарту відносяться температура нагріву, час і швидкість його виконання, час витримки деталі в нагрітому до заданої температури стані, швидкість, з якою здійснюється охолодження.

Найбільш важливим параметром є температура нагріву, при досягненні якої відбувається перебудова атомної решітки. Природно, що з сталей різних сортів значення критичної температури відрізняється, що залежить, насамперед, від рівня вмісту у складі вуглецю і різних домішок.

Після виконання гарту підвищується як твердість, так і крихкість сталі, а на її поверхні, що втратила значну кількість вуглецю, з'являється шар окалини. Товщину цього шару обов'язково слід враховувати для розрахунку припуску подальшу обробку деталі.

При виконанні загартування виробів із сталевих сплавів, дуже важливо забезпечити задану швидкість охолодження деталі, інакше вже перебудована атомна структура металу може перейти в проміжний стан. Тим часом занадто швидке охолодження теж небажане, оскільки воно може призвести до появи на деталі тріщин або до її деформації. Щоб уникнути утворення таких дефектів, швидкість охолодження після падіння температури нагрітого металу до 200 градусів Цельсія, дещо уповільнюють.

Для нагрівання деталей, виготовлених із вуглецевих сталей, використовують камерні печі, які можуть прогріватись до 800 градусів Цельсія. Для загартування окремих марок сталі критична температура може становити 1250-1300 градусів Цельсія, тому деталі їх нагріваються в печах іншого типу. Зручність гарту сталей таких марок полягає в тому, що вироби з них не схильні до розтріскування при охолодженні, що виключає необхідність їх попереднього прогріву.

Дуже відповідально слід підходити до загартування деталей складної конфігурації, що мають тонкі грані та різкі переходи. Щоб виключити розтріскування і жолоблення таких деталей у процесі нагрівання, його слід проводити у два етапи. На першому етапі таку деталь попередньо прогрівають до 500 градусів Цельсія і потім доводять температуру до критичного значення.

Для якісного загартування сталей важливо забезпечити як рівень нагріву, а й його рівномірність. Якщо деталь відрізняється масивністю чи складною конфігурацією, забезпечити рівномірність її нагрівання можна лише кілька підходів. У таких випадках нагрівання проводиться з двома витримками, які необхідні для того, щоб досягнута температура рівномірно розподілилася по всьому об'єму деталі. Збільшується сумарний час нагрівання і в тому випадку, якщо в піч одночасно поміщаються кілька деталей.

Як уникнути утворення окалини та обезуглерожування при загартуванні

Багато деталей зі сталі проходять загартування вже після того, як було виконано їх фінішну обробку. У таких випадках неприпустимо, щоб поверхня деталей була обезуглерожена або утворилася на ній окалина. Існують способи загартування виробів із сталі, які дозволяють уникнути таких проблем. Загартування, що виконується в середовищі захисного газу, що нагнітається в порожнину нагрівальної печі, може бути віднесена до найбільш передового з таких способів. Слід мати на увазі, що використовують такий метод лише в тому випадку, якщо піч для нагрівання повністю герметична.

На фото видно момент гідрозбиву на стані гарячої прокатки — видалення окалини.

Простішим способом, що дозволяє уникнути обезуглерожування поверхні металу при загартуванні, є застосування чавунної стружки та відпрацьованого карбюризатора. Для того щоб захистити поверхню деталі при нагріванні, її поміщають у спеціальну ємність, яку попередньо засипані ці компоненти. Для запобігання потраплянню в таку ємність навколишнього повітря, яке може спричинити процеси окислення, зовні її ретельно обмазують глиною.

Якщо після гарту металу його охолоджують не в маслі, а в соляній ванні, її слід регулярно розкислювати (не менше двох разів за зміну), щоб уникнути обезуглерожування поверхні деталі та появи на ній окислу. Для розкислення соляних ванн можуть бути використані борна кислота, сіль бура або деревне вугілля. Останній зазвичай поміщають у спеціальну склянку з кришкою, у стінках якої є безліч отворів. Опускати таку склянку в соляну ванну слід дуже обережно, тому що в цей момент на її поверхні спалахує полум'я, яке згасає через деякий час.

Існує простий спосіб, що дозволяє перевірити якість розкислення соляної ванни. Для цього в такій ванні кілька хвилин (3-5) нагрівають звичайне лезо з нержавіючої сталі. Після соляної ванни лезо поміщають у воду для охолодження. Якщо після такої процедури лезо не гнеться, а ламається, то розкислення ванни пройшло успішно.

Охолодження стали при загартуванні

Основу більшості охолоджуючих рідин, що використовуються при загартуванні виробів із сталей, становить вода. При цьому важливо, щоб така вода не містила у своєму складі домішок солей та миючих засобів, які можуть суттєво вплинути на швидкість охолодження. Місткість, в якій міститься вода для гартування виробів з металу, не рекомендується використовувати з іншою метою. Важливо також враховувати і те, що для охолодження металу в процесі загартування не можна використовувати проточну воду. Оптимальною для охолоджуючої рідини вважається температура 30 градусів Цельсія.

Загартування виробів із сталі з використанням для їх охолодження звичайної води має ряд істотних недоліків. Найголовніший з них - це розтріскування та викривлення деталей після їх охолодження. Як правило, таким способом охолодження користуються, коли виконується цементування металу, поверхневе загартування сталі або термічна обробка деталей простої конфігурації, які будуть піддаватися фінішній обробці.

Для виробів складної форми, виготовлених з конструкційних сталей, застосовують інший тип охолоджувальної рідини - 50% розчин каустичної соди, нагрітий до температури 60 градусів Цельсія. Після охолодження в такому розчині загартована сталь набуває світлого відтінку.

Дуже важливо при роботі з каустичною содою дотримуватися техніки безпеки, обов'язково використовувати витяжку, що розміщується над ванною. При опусканні розжареної деталі розчин утворюються пари, дуже шкідливі здоров'ю людини.

Кращою охолоджувальною рідиною для тонкостінних деталей з вуглецевих сталей та виробів, виконаних з легованих сплавів, є мінеральні олії, які забезпечують постійну (ізотермічну) температуру охолодження незалежно від умов навколишнього середовища. Головне, чого слід уникати при використанні такої технічної рідини, - це потрапляння до неї води, що може призвести до розтріскування деталей у процесі їх охолодження. Однак, якщо в таку охолоджувальну рідину все ж таки потрапила вода, її можна легко видалити з неї, нагріваючи масло до температури, що перевищує температуру кипіння води.

У загартування сталі з використанням олії як охолоджувальна рідина є ряд істотних недоліків, про які обов'язково варто знати. При контакті олії з розпеченою деталлю виділяються пари, шкідливі для людського здоров'я, крім того, олія в цей момент може спалахнути. У масляної ванни є і така властивість: після її використання на деталі залишається наліт, а рідина, що охолоджує, з часом втрачає свою ефективність.

Всі ці фактори слід враховувати при виконанні загартування металів у масляному середовищі та вживати наступних заходів безпеки:

• занурювати деталі у масляну ванну за допомогою щипців із довгими ручками;
• усі роботи виконувати у спеціальній масці із загартованого скла та у рукавичках, виготовлених з товстої тканини з вогнетривкими властивостями або з грубої шкіри;
• надійно захищати плечі, шию, груди робочим одягом, виготовленим з товстої вогнетривкої тканини.

Для гартування сталей окремих марок охолодження здійснюють за допомогою потоку повітря, створюваного спеціальним компресором. Дуже важливо, щоб охолоджувальне повітря було абсолютно сухим, так як волога, що міститься в ньому, може викликати розтріскування поверхні металу.

Існують способи загартування сталі, у яких використовують комбіноване охолодження. До них звертаються для охолодження деталей із вуглецевих сталей, що мають складний хімічний склад. Суть таких способів загартування полягає в тому, що спочатку нагріту деталь поміщають у воду, де за короткий час (кілька секунд) її температура знижується до 200 градусів, подальше охолодження деталі проводять вже в масляній ванні, куди її слід перемістити дуже оперативно.

Виконання загартування та відпуску сталевих деталей у домашніх умовах

Термічна обробка металевих виробів, у тому числі поверхневе загартування сталі, не тільки збільшує твердість і міцність сплаву, а й значно підвищує внутрішні напруги в його структурі. Щоб зняти цю напругу, здатну в процесі експлуатації деталі призвести до її поломки, необхідно відпустити виріб зі сталі.

Слід пам'ятати, що така технологічна операція призводить до деякому зниження твердості сталі, але збільшує її пластичність. Для виконання відпустки, суть якої полягає у поступовому зменшенні температури нагрітої деталі та її витримуванні при певному температурному режимі, використовуються печі, соляні та масляні ванни.

Температури, у яких виконується відпустка, відрізняються різних сортів стали. Так, відпустка швидкорізальних сплавів проводиться при температурі 540 градусів Цельсія, а для сталей з твердістю на рівні HRC 59-60 достатньо 150 градусів. Що характерно, при відпуску швидкорізальних сплавів їх твердість навіть зростає, а в другому її рівень знижується, але значно підвищується показник пластичності.

Загартування та відпуск виробів зі сталі, у тому числі і нержавіючих сортів, цілком допустиме (і, більше того, часто практикується) і в домашніх умовах, якщо в цьому виникла потреба. У таких випадках для нагрівання виробів із сталі можна використовувати електроплити, духовки та навіть розпечений пісок. Температури, до яких слід нагрівати сталеві вироби у таких випадках, можна підібрати за спеціальними таблицями. Перед гартуванням або відпусткою сталевих виробів, їх необхідно ретельно очистити, на їх поверхні не повинно бути бруду, слідів олії та іржі.

Після очищення виріб зі сталі слід нагріти так, щоб він рівномірно розжарився до червоного. Для того, щоб розжарити його до такого стану, необхідно нагрівати кілька підходів. Після того, як необхідний стан досягнуто, виріб, що нагрівається, слід охолодити в маслі, а потім відразу помістити в духовку, попередньо розігріту до 200 градусів Цельсія. Потім необхідно поступово знизити температуру в духовці, довівши її до позначки 80 градусів Цельсія.

Цей процес займає зазвичай годину. Подальше охолодження слід проводити на відкритому повітрі, виняток становлять лише вироби з хромонікелевих сталей, зниження температури яких використовуються масляні ванни. Зумовлено це тим, що сталі таких марок при повільному охолодженні можуть набути так званої відпускної крихкості.

(голосів: 5 , Середня оцінка: 4,20 із 5)

Термічна обробка сталей — одна з найважливіших операцій у машинобудуванні, від правильного проведення якої залежить якість продукції. Загартування та відпустка сталей є одними з різноманітних видів термообробки металів.

Тепловий вплив на метал змінює його властивості та структуру. Це дозволяє підвищити механічні властивості матеріалу, довговічність та надійність виробів, а також зменшити розміри та масу механізмів та машин. Крім того, завдяки термообробці для виготовлення різних деталей можна застосовувати більш дешеві сплави.

Як гартувалася сталь

Термообробка сталі полягає в тепловому впливі на метал за певними режимами для зміни його структури та властивостей.

До операцій термообробки належать:

• відпал;
• нормалізація;
• старіння;
• загартування сталі та відпустка сталі (та ін.).

Термообробка сталі: загартування відпустка - залежить від наступних факторів:

• температури нагріву;
• часу (швидкості) нагрівання;
• тривалості витримки за заданої температури;
• швидкості охолодження.

Загартування

Загартування сталі - це процес термообробки, суть якого полягає в нагріванні сталі до температури вище критичної з подальшим швидким охолодженням. В результаті цієї операції підвищуються твердість та міцність сталі, а пластичність знижується.

При нагріванні та охолодженні сталей відбувається перебудова атомних ґрат. Критичні значення температур у різних марок сталей неоднакові: вони залежать від вмісту вуглецю та легуючих домішок, а також від швидкості нагрівання та охолодження.

Після загартування сталь стає крихкою та твердою. Поверхневий шар виробів при нагріванні в термічних печах покривається окалиною і обезуглерожується тим більше, що вища температура нагрівання і час витримки в печі. Якщо деталі мають малий припуск для подальшої обробки, то цей шлюб є ​​невиправним. Режими гартування гартування стали залежать від її складу та технічних вимог до виробу.

Охолоджувати деталі при загартуванні слід швидко, щоб аустеніт не встиг перетворитися на проміжні структури (сорбіт або троостит). Необхідна швидкість охолодження забезпечується за допомогою вибору середовища, що охолоджує. При цьому надмірно швидке охолодження призводить до появи тріщин або жолоблення виробу. Щоб цього уникнути, в інтервалі температур від 300 до 200 градусів швидкість охолодження треба сповільнювати, застосовуючи комбіновані методи загартування. Велике значення зменшення короблення виробу має спосіб занурення деталі в охолоджувальне середовище.

Нагрівання металу

Всі способи загартування стали складатися з:

• нагріву сталі;
• наступної витримки для досягнення наскрізного прогріву виробу та завершення структурних перетворень;
• охолодження із певною швидкістю.

Вироби із вуглецевої сталі нагрівають у камерних печах. Попередній підігрів у цьому випадку не потрібний, так як ці марки сталей не піддаються розтріскування або жолоблення.

Складні вироби (наприклад, інструмент, що має тонкі грані, що виступають, або різкі переходи) попередньо підігрівають:

• у соляних ваннах шляхом дво- чи триразового занурення на 2 – 4 секунди;
• в окремих печах до температури 400 – 500 градусів за Цельсієм.

Нагрівання всіх частин виробу має протікати рівномірно. Якщо це неможливо забезпечити за один прийом (великі поковки), робляться дві витримки для наскрізного прогріву.

Якщо в піч поміщається лише одна деталь, час нагрівання скорочується. Так, наприклад, одна дискова фреза товщиною 24 мм нагрівається протягом 13 хвилин, а десять таких виробів протягом 18 хвилин.

Захист виробу від окалини та обезуглерожування

Для виробів, поверхні яких після термообробки не шліфуються, вигоряння вуглецю та утворення окалини неприпустимо. Захищають поверхні від подібного шлюбу застосуванням, що подаються в порожнину електропечі. Зрозуміло, такий прийом можливий лише у спеціальних герметизованих печах. Джерелом подається в зону нагрівання газу є генератори захисного газу. Вони можуть працювати на метані, аміаку та інших вуглеводневих газах.

Якщо захисна атмосфера відсутня, то вироби перед нагріванням пакують у тару і засипають відпрацьованим карбюризатором, стружкою (термісту слід знати, що деревне вугілля не захищає інструментальні сталі від обезуглерожування). Щоб у тару не потрапляло повітря, її обмазують глиною.

Соляні ванни при нагріванні не дають металу окислюватися, але від обезуглерожування не захищають. Тому на виробництві їх розкислюють не менше двох разів на зміну бурою, кров'яною сіллю або борною кислотою. Соляні ванни, що працюють на температурах 760 - 1000 градусів Цельсія, дуже ефективно розкислюються деревним вугіллям. Для цього склянку, що має безліч отворів по всій поверхні, наповнюють просушеним деревним вугіллям, закривають кришкою (щоб вугілля не спливло) і після підігріву опускають на дно соляної ванни. Спочатку з'являється значна кількість мов полум'я, потім воно зменшується. Якщо протягом зміни таким способом тричі розкислювати ванну, то вироби, що нагріваються, будуть повністю захищені від знеуглерожування.

Ступінь розкислення соляних ванн перевіряється дуже просто: звичайне лезо, нагріте у ванні протягом 5 – 7 хвилин у якісно розкисленій ванні та загартоване у воді, ламатиметься, а не гнутиметься.

Охолоджувальні рідини

Основною охолоджувальною рідиною для сталі є вода. Якщо у воду додати невелику кількість солей чи мила, то швидкість охолодження зміниться. Тому в жодному разі не можна використовувати гартований бак для сторонніх цілей (наприклад, для миття рук). Для досягнення однакової твердості на загартованій поверхні необхідно підтримувати температуру рідини, що охолоджує, 20 – 30 градусів. Не слід часто міняти воду у баку. Цілком неприпустимо охолоджувати виріб у проточній воді.

Недоліком водяного гарту є утворення тріщин і короблення. Тому таким методом гартують вироби лише нескладної форми або цементовані.

• При загартуванні виробів складної конфігурації з конструкційної сталі застосовується п'ятдесятивідсотковий розчин каустичної соди (холодний або підігрітий до 50 – 60 градусів). Деталі, нагріті у соляній ванні та загартовані у цьому розчині, виходять світлими. Не можна допускати, щоб температура розчину перевищувала 60 градусів.

Режими

Пари, що утворюються при загартуванні в розчині каустика, шкідливі для людини, тому гартальну ванну обов'язково обладнають витяжною вентиляцією.

• Загартування легованої сталі виробляють у мінеральних маслах. До речі, тонкі вироби з вуглецевої сталі також проводять у маслі. Головна перевага масляних ванн полягає в тому, що швидкість охолодження не залежить від температури олії: при температурі 20 градусів і 150 градусів виріб охолоджуватиметься з однаковою швидкістю.

Слід остерігатися попадання води в ванну, оскільки це може призвести до розтріскування виробу. Що цікаво: в олії, розігрітій до температури вище 100 градусів, потрапляння води не призводить до появи тріщин у металі.

Недоліком масляної ванни є:

1. виділення шкідливих газів при загартуванні;
2. утворення нальоту на виробі;
3. схильність олії до займистості;
4. поступове погіршення здатності, що гартує.

• Сталі із стійким аустенітом (наприклад, Х12М) можна охолоджувати повітрям, яке подають компресором або вентилятором. При цьому важливо не допускати попадання у повітропровід води: це може призвести до утворення тріщин на виробі.
• Ступінчасте загартування виконується в гарячій олії, розплавлених лугах, легкоплавких солях.
• Переривчасте гартування сталей у двох охолоджуючих середовищах застосовується для обробки складних деталей, виготовлених з вуглецевих сталей. Спочатку їх охолоджують у воді до температури 250 – 200 градусів, та був у маслі. Виріб витримується у воді не більше 1-2 секунд на кожні 5-6 мм товщини. Якщо збільшити час витримки у воді, то на виробі неминуче з'являться тріщини. Перенесення деталі з води в олію слід виконувати дуже швидко.

Залежно від необхідної температури відпустка проводиться:

• у масляних ваннах;
• у селітрових ваннах;
• у печах із примусовою повітряною циркуляцією;
• у ваннах із розплавленим лугом.

Температура відпустки залежить від марки сталі та необхідної твердості виробу, наприклад інструмент, для якого необхідна твердість HRC 59 – 60, слід відпускати при температурі 150 – 200 градусів. В цьому випадку внутрішні напруження зменшуються, а твердість знижується незначно.

Швидкорізальна сталь відпускається при температурі 540 – 580 градусів. Таку відпустку називають вторинним затвердінням, тому що в результаті твердість виробу підвищується.

Вироби можна відпускати на колір втечі, нагріваючи їх на електроплитах, печах, навіть у гарячому піску. Окисна плівка, яка з'являється в результаті нагрівання, набуває різних кольорів втечі, що залежать від температури. Перш ніж приступати до відпустки на один із кольорів втечі, треба очистити поверхню виробу від окалини, нагару олії і т.д.

Зазвичай після відпустки охолоджують метал на повітрі. Але хромонікелеві сталі слід охолоджувати у воді чи олії, оскільки повільне охолодження цих марок призводить до відпускної крихкості.