Гарт стали: опис процесу термообробки, температури та види загартування, способи охолодження та дефекти

Без термообробки в роботі з металами не обійтися. Від того наскільки правильно була проведена термічна обробка залежать якісні характеристики металевого виробу. Його міцність і довговічність у службі. У цій статті ви зможете дізнатися як правильно проводити термообробку (загартування) сталевих виробів

Загартування сталі

Загартовування є операцією з термічного оброблення металу. Вона складається з нагрівання металу до критичної температури, при якій змінюється кристалічна решітка матеріалу, або до температури, при якій відбувається розчинення фази в матриці, що існує при низькій температурі.

Важливо розуміти:

  • Після досягнення критичної температури метал піддається різкому охолодженню.
  • Після гартування сталь набуває структуру мартенсіту (по імені Адольфа Мартенса) і тому набуває твердість.
  • Завдяки гартуванню міцність сталі підвищується. Метал стає ще твердішим і більш зносостійким.
  • Слід розрізняти звичайну загартування матеріалу і загартування для отримання надлишку вакансій.

Режими загартування розрізняються по швидкості протікання процесу і температурі нагрівання. А також є відмінності по тривалості витримки при даному температурному режимі і швидкості охолодження.

Вибір температури для загартування

Рішення, при якій температурі виробляти загартування металу обумовлено хімічним складом сталі.

Загартування буває двох видів:

  • повна;
  • неповна.

Керуючись діаграмою критичних точок можна бачити, що доевтектичну сталь при процесі повного загартовування слід нагрівати вище точки Ас3 на 30-50 градусів. В результаті у сталі буде структура однорідного аустеніту. Згодом під дією процесу охолодження він перетвориться мартенсит.

Малюнок №1. Критичні точки.

Неповне гартування частіше застосовується для інструментальної сталі. Мета неповного гартування — досягти температури, при якій проходить процес утворення надлишкових фаз. Нагрівання сталі відбувається в температурному проміжку від Ас1 — Ас2. При цьому в структурі мартенсіту збережеться якусь кількість фериту, що залишився після гартування сталі.

Для загартовування заевтектоїдной сталі краще дотримуватися температури на 20-30 градусів більше Ас1 — неповна загартування. З-за цього при нагріванні і охолодженні буде зберігатися цементит, що підвищує твердість мартенсіту. При загартуванні не слід нагрівати заевтектичну сталь понад належної температури. Це може позначитися на твердості.

Швидкість охолодження

Структура мартенсіту виходить при швидкому охолодженні аустеніту в той момент, коли температура стали сприяє найменшої стійкості аустеніту (близько 650-550 градусів).

При переході в зону температур, в якій відбувається мартенситное перетворення (нижче 240 градусів) застосовується уповільнене охолодження. В результаті встигають выравнится утворюються структурні напруги в той час, як твердість утворився мартенсіту не знижується.

Для проведення успішної термічної обробки дуже важливо правильно вибрати середу загартовування. Часто в якості гартівних середовища можуть застосовуватися:

  • вода;
  • розчин їдкого натрію (5-10 %) або кухонної солі;
  • мінеральне масло.

Для загартовування вуглецевої сталі краще використовувати воду, температура якої 18 градусів. Для загартування легованої сталі підійде олія.

Характеристики стали: гартована і прожарювана

Не слід змішувати важливі характеристики сталі — гартована і прокаливавемость.

Гартована

Ця характеристика свідчить про здатність стали до набуття твердість після гартування. Існують види сталі, які погано піддаються загартуванню і після процесу термообробки сталь стає недостатньо твердою. Про такий матеріал кажуть — «не прийняв гарт».

Здатність до твердості у мартенсіту пов’язана зі ступенем перекрученості його кристалічної решітки. Менший вміст вуглецю в мартенсите сприяє меншим спотворень в кристалічної решітки, а, значить, твердість стали буде нижче. Якщо в сталі вуглецю міститься менше 0.3%, то у такого сплаву гартована низька, і зазвичай такі сплави не піддаються загартуванню.

Прожарювана

Ця характеристика може сказати про те, наскільки глибоко сталь загартувалася. При загартовуванні поверхню сталевої деталі остигає швидше ніж серцевина. Це відбувається тому що поверхня знаходиться в безпосередньому контакті з рідиною для охолодження, яка забирає тепло. А центральна частина сталевої деталі віддає своє тепло через товщу металу і поверхню, де її і поглинає охолоджуюча рідина.

На прожарювана впливає критична швидкість гартування — чим вона (швидкість) нижче, тим глибше прожарюється сталь. Приміром, грубозерниста сталь, у якої невелика критична швидкість загартування, прожарюється глибше, ніж дрібнозернистий сталь, у якої висока критична швидкість загартування.

Глибина прогартованості залежить від вихідної структури закаливаемого сплаву, температури нагріву і гартівних середовища. Прожарювана стали визначається по зламу, мікроструктурою і твердості.

Види загартування сталі

Способів загартування металу існує безліч. Їх вибір обумовлений складом сталі, характером вироби, необхідною твердістю і умовами охолодження. Часто використовується ступінчаста, ізотермічна і світла загартування.

Загартовування в одному середовищі

Звернувшись до графіку кривих охолодження для різних способів загартування, можна бачити, що загартуванню в одному середовищі відповідає крива 1. Виконувати таке загартовування просто. Проте, підійде вона не для кожної сталевої деталі. З-за швидкого зниження температури у сталі змінного перерізу в температурному інтервалі виникає температурна нерівномірність і велике внутрішнє напруження. Від цього сталева деталь може пожолобитися і розтріснутися.

Малюнок №2. Криві охолодження.

Великий вміст вуглецю в сталевих деталях може викликати об’ємні зміни структурних напружень, а це, в свою чергу, загрожує появою тріщин.

Заевтектоідні сталі, мають просту форму, краще гартувати в одному середовищі. Для загартування більш складних форм загартування застосовується в двох середовищах або ступінчасту загартування.

Загартовування у двох середовищах (на малюнку №2 це крива 2) застосовується для інструментів, виготовлених з високовуглецевої сталі. Сам метод полягає в тому, що сталь спочатку охолоджується у воді до 300-400 градусів, після чого її переносять у масляну середовище, де вона прибуває поки повністю не охолоне.

Ступенева гарт

При ступінчастому загартовуванні (крива 3) сталева деталь спочатку поміщається в соляну ванну. Температура самої ванни повинна бути вище температури, при якій відбувається мартенситное перетворення (240-250 градусів). Після соляної ванни сталь перемішають в масло, або на повітря. Використовуючи ступенчатою загартування можна не боятися, що деталь покоробиться або в ній утворюються тріщини.

Недолік такого гарту укладає в тому, що її можна застосовувати лише для заготовок з вуглецевої сталі з невеликим перетином (8-10 мм). Ступенева загартування може застосовуватися для деталей з легованої сталі з великим перетином (до 30 мм).

Ізотермічна гарт

Изотермическому загартовуванню на графіку відповідає крива 4. Загартовування проводиться аналогічно ступінчастою загартуванню. Однак, в гарячій ванні сталь витримується довше. Це робиться так, щоб викликати повний розпад аустеніту. На схемі витримка показується на S-подібної лінії точками a і b. Сталь, яка пройшла ізотермічну загартування, може охолоджуватися з будь-якою швидкістю. Середовищем охолодження можуть служити розплавлені солі.

Переваги ізотермічного загартування:

  • сталь майже не піддається викривленню;
  • не з’являються тріщини;
  • в’язкість.

Світла гарт

Для проведення такого загартовування потрібно спеціально обладнана піч, обладнана захисною середовищем. На виробництві, щоб отримати чисту і світлу поверхню у загартованої сталі слід використовувати ступінчасту загартування. Після неї сплав охолоджується в розплавленої їдкого лугу. Перед процесом загартування сталева деталь нагрівається в соляній ванні з хлористого натрію з температурою на 30-50 градусів вище точки Ас1 (см «Схему критичних точок»). Охолодження деталі проходить у ванні при 180-200 градусів. Охолоджуючої середовищем служить суміш, що складається з 75% суміш їдкого калію, 25% їдкого натрію, в яку додається 6-8% води (від ваги солі).

Гарт з самоотпуском

Застосовується при виробництві інструментальної сталі. Основна ідея загартування полягає у вилученні сталевої деталі з охолоджуючої середовища до моменту її повного охолодження. Вилучення відбувається в певний момент. В серцевині сталевої деталі зберігається певна кількість тепла. За його рахунок і проводиться наступний відпустку. Після того, як за рахунок внутрішнього тепла сталеве виріб досягне потрібної температури для відпустки, сталь поміщають в гартівне рідина, для остаточного охолодження.

Р исунок №3 — Т аблица мінливості.

Відпустку контролюється за кольорами мінливості (см малюнок №3), яка формується на гладкій поверхні металу при 220-330 градусах.

За допомогою загартування самоотпуском виготовляються кувалди, зубила, слюсарні молотки та інші інструменти, від яких потрібна висока твердість на поверхні зі збереженням внутрішньої в’язкості.

Способи охолодження при загартуванні

При швидкому охолодженні сталевих виробів при загартуванню існує загроза виникнення великих внутрішніх напруг, що призводить до жолоблення матеріалу, а іноді і тріщин. Для того щоб цього уникнути там, де можливо, сталеві деталі краще охолоджувати в маслі. Вуглецеву сталь, для якої таке охолодження неможливо, краще охолоджувати у воді.

Крім середи охолодження на внутрішньо напруга виробів із сталі впливає, яким чином вони занурюються в охолодну середу. А саме:

  • вироби, що мають товсту і тонку частину, краще занурювати в гартівне рідина спочатку об’ємистій частиною;
  • якщо виріб має витягнуту форму (свердла, мітчики), потрібно занурювати строго вертикально, в іншому випадку вони можуть пожолобитися.

Іноді потрібно загартувати не всю деталь, а тільки її частина. Тоді застосовується місцева загартування. Виріб нагрівається не повністю, зате в гартівне рідина занурюють всю деталь.

Дефекти при загартуванні сталі

  1. Недостатня твердість. Якщо виникає була низька температура нагріву, мала витримка при робочій температурі або мала місце недостатня швидкість охолодження. Можна виправити: застосувати більш енергійну середовище; зробити відпал, а потім загартувати.
  2. Перегрів. Відбувається якщо сталева деталь нагрівається до температури, що перевищує допустиму. При перегріві утворюється грубозерниста структура, що призводить до крихкості деталі. Можна виправити: за допомогою відпалу та гартування при потрібній температурі.
  3. Перепал. При нагріванні сталевої деталі до високої температури, близької до температури плавлення (1200-1300 градусів) в окислювальній атмосфері. Всередину сталевих виробів проникає кисень, по межах зерен формуються оксиди. Така сталь не виправляється.
  4. Окислення і зневуглецювання. У цьому випадку на поверхні сталевих деталей утворюються окалини (оксиди), а в поверхневих шарах сталі вигорає вуглець. Цей шлюб виправити неможливо. Для попередження браку слід користуватися печами з захисною атмосферою.
  5. Викривлення і тріщини. Виникають із-за внутрішніх напружень. Тріщини — це невиправний шлюб. Викривлення можна видалити за допомогою риштувань або правки.

Висновок

Найважливіше при гартуванню металу це чітке дотримання технології. Будь відхилення в бік призводить до небажаних наслідків. Якщо робити все правильно, то навіть в домашніх умовах можна провести процес гартування сталі.

Ссылка на основную публикацию