Загартовуваність і прогартовуваність сталей

Загартовуваністю називають здатність сталі підвищувати твердість внаслідок гартування. Вона залежить від концентра­ції вуглецю в сталі. Якщо вміст вуглецю не перевищує 0,2 %, то такі сталі практично не гартуються. Легувальні елементи мало впливають на загартовуваність.

Прогартовуваність — це глибина проникнення загартова­ної зони від поверхні в тіло виробу. Часто за глибину загартова­ної зони умовно приймають відстань від поверхні до зони з напівмартенситною структурою (50 % мартенситу + 50 % трооститу).

Глибину загартованої зони можна визначити на зламі, на макрошліфі або за розподілом твердості в перерізі виробу.

На зламі крихка загартована зона має гладку блискучу дріб­нозернисту поверхню, натомість незагартована пластична зона — нерівну волокнисту з матовим відтінком. Межу між ними доб­ре видно на поверхні зламу.

На протравленому макрошліфі так само добре видно грани­цю між загартованою і незагартованою зонами.

Значна зміна твердості в перерізі виробу відповідає границі між загартованою і незагартованою зонами. Твердість напівмартенситної зони залежить від концентрації вуглецю в сталі й визначається за таблицями або за еталонними графіками, побудованими в координатах: твердість HRC напівмартенситної зони — концентрація вуглецю (%).

Очевидно, що швидкість охолодження найбільша на повер­хні виробу, а в його середині — найменша. Виріб не прогартується наскрізь, коли значення фактичної швидкості охолодження в середині виробу менше за критичну швидкість гартування υкр. Зі зменшенням критичної швидкості гартування даного матеріалу глибина загартованої зони зростає. Якщо швидкість гартування всередині виробу дорівнює або більша ніж υкр, то виріб прогартовується наскрізь і всюди має мартенситну струк­туру. Якщо переріз охолоджуваного виробу настільки великий, що неможливо досягти критичної швидкості навіть на його по­верхні, то такий виріб не гартується зовсім. Як уже згадува­лось, критична швидкість гартування пов'язана з положенням кривої початку перетворення аустеніту й може бути оцінена за діаграмою ізотермічного розпаду. Для точнішого знаходження значення цієї швидкості необхідно скористатись анізотермічною діаграмою перетворень аустеніту.

До основних факторів, що впливають на стійкість переохо­лодженого аустеніту, а, отже, і на положення С-кривої, нале­жать: легувальні елементи, частинки, нерозчинені в аустеніті, та розмір його зерна.

Легувальні елементи, крім кобальту, збільшують прогартовуваність, оскільки підвищують стійкість переохолодженого ау­стеніту, зменшуючи критичну швидкість гартування. Однак стій­кість аустеніту підвищується лише тоді, коли легувальні еле­менти повністю розчиняться в ньому.

Нерозчинені в аустеніті частинки — карбіди або оксиди — зменшують стійкість аустеніту, бо вони стають додатковими центрами кристалізації.

Величина зерна аустеніту істотно впливає на його стійкість через те, що центри кристалізації нових фаз утворюються на границях зерен аустеніту. Зі збільшенням зерна сумарна поверх­ня границь зменшується і водночас зменшується кількість центрів кристалізації.

Важливою характеристикою прогартовуваності сталі є кри­тичний діаметр заготовки.

Критичним діаметром заготовки D_К називають такий мак­симальний діаметр циліндра із даної сталі, в центрі якого під час гартування у вибраному охолоднику утворюється напівмартенситна структура. В цьому випадку D_К позначають як D₅₀. Часто напівмартенситна структура не забезпечує потрібних меха­нічних властивостей виробу. Тоді ставлять вимогу, щоб в центрі виробу замість 50 % мартенситу його було, наприклад, 95 % або 99,9 %. У зазначених випадках критичний діаметр позна­чають як D ₉₅ або D _99,9 відповідно. Очевидно, перехід від напівмартенситної структури до переважно мартенситної зменшить D_Кр.

Зменшується також D_Кр унаслідок заміни охолодника, напри­клад, води на оливу. Критичний діаметр враховують під час вибору сталі для виготовлення конкретного виробу. Прогартовуваність сталі визначають експериментально за стандартною методикою.

Поверхневе гартування сталі

Поверхневе гартування відбувається внаслідок швидкого нагрівання тільки поверхневої зони сталевої заготовки до тем­ператур аустенітної області з подальшим охолодженням зі швид­кістю, не меншою за критичну. Внутрішня зона (осердя), яка не зазнала фазових перетворень, залишається незагартованою. Мета поверхневого гартування — висока твердість поверхні в поєднанні з в'язким осердям, підвищена зносостійкість і грани­ця витривалості.

Поверхню заготовок нагрівають до температур фазових пе­ретворень струмами високої частоти (СВЧ), полум'ям пальни­ків, лазерним променем, в розплавлених легкоплавких мета­лах або солях та іншими методами.

Рисунок 13 - Поверхневе гартування струмами високої частоти:

1 — заготовка; 2 — індуктор; 3 — пристрій для охолодження

Для нагрівання струмами високої частоти заготовку 1 (рисунок 13) вставляють в індуктор 2 (соленоїд) з деяким зазором. Кожній заготовці потрібен окремий індуктор відповідно до її форми й розмірів. Індуктор — це електропровідна мідна труб­ка, всередині якої циркулює вода для охолодження. Струм висо­кої частоти створює змінне електромагнітне поле. Воно індукує в заготовці вихрові струми, які швидко нагрівають її поверх­ню. Що більша частота струму, то менша глибина його проник­нення (глибина нагрівання). Час нагрівання перебуває в межах від 2 до 50 с. Висока швидкість нагрівання зсуває фазові пере­творення в зону підвищених температур (див. рисунок 1) порів­няно з повільним нагріванням у печі.

Для живлення індуктора використовують машинні або лам­пові генератори. Машинні генератори виробляють струм часто­тою 500...15 000 Гц, лампові — до 10⁷ Гц. Лампові генератори використовують для утворення загартованого шару завтовшки від 0,1 до 2 мм, машинні — понад 2 мм. Нагріту заготовку негайно охолоджують у спеціальному пристрої 3, через отвори якого інтенсивно подається охолодна рідина.

Часто заготовку після нагрівання вкидають у посудину з рідиною.

Перевагами нагрівання СВЧ є висока продуктивність, мож­ливість уникнути оксидації й зневуглецьовування поверхні за­готовки, точно регулювати глибину гартування й автоматизу­вати процес. Недоліком методу є висока вартість генераторів СВЧ, а також необхідність виготовляти окремий індуктор для кожної заготовки та потреба індивідуально добирати режим об­робки. Високочастотне гартування широко застосовують для заготовок, виготовлених з дешевих вуглецевих сталей із вміс­том вуглецю понад 0,4 % в умовах серійного й масового вироб­ництва.

Полуменеве поверхневе нагрівання до температури аустеніт­ної області застосовують переважно для габаритних виробів в одиничному виробництві. Нагрівають поверхні під гартування газокисневими пальниками ацетиленом або природним газом. Услід за пальником пересувається пристрій з охолоджуваль­ною рідиною. Товщина загартованої зони становить 2...4 мм. Недолік методу полягає у тому, що складно регулювати темпе­ратуру нагрівання.

Нагрівання лазерним променем до високих температур три­має всього 10 ³...10 ⁷ с, після чого від нагрітої поверхневої ділян­ки малого об'єму дуже швидко відводиться теплота холодним металом і відбувається гартування. Лазери — це квантові гене­ратори світла, енергія якого перетворюється в теплоту. Лазерне випромінювання характеризується вузьким пучком висококонцентрованої енергії, що її випромінюють тверді тіла (рубін, іт­рій, скло) або гази (Не, Ке, Аг, СО 2,). Лазерне випромінювання особливо ефективне для виробів зі складною поверхнею. Тов­щина зміцненого шару не перевищує 0,1...0,15 мм.

Нагрівання розплавленими легкоплавкими металами або солями поверхневих шарів виробів до аустенітного стану засто­совують під час гартування невеликих заготовок простої геомет­ричної форми.

Відпуск

Рисунок 14 - Залежність механічних властивостей (σ₀₂, σ_В, НВ, δ, ψ, KCU), загартованої сталі із вміс­том вуглецю 0,4 % від температури відпуску t _В

Відпуском називають нагрівання загартованої сталі до тем­ператури меншої від А_с (див. рисунок 12а), витримування при цій температурі й подальше охолодження. Мета відпуску — змен­шення залишкових напружень, зниження твердості й підвищен­ня пластичності сталі. Під час відпуску розпадаються мартен­сит гартування і залишковий аустеніт, а також укрупнюються й сфероїдизуються карбіди. Зазначені структурні перетворення змінюють механічні властивості відпущених сталей. З підви­щенням температури відпуску t _В (рисунок 14) міцність (σ₀₂, σ_В) і твердість НВ сталей зменшуються, а їх відносне видовження δ і відносне звуження ψ, а також ударна в'язкість KCU зростають.

Залежно від температури нагрівання розрізняють низькоте­мпературний, середньотемпературний і високотемпературний відпуск.

Низькотемпературний відпуск полягає у нагріванні загар­тованої сталі до температур 150...250 °С (рисунок 12а) звичайно протягом 1...3 год. В результаті отримують відпущений мартен­сит і частково знімають напруження гартування. Пластичність низьковідпущеної сталі дещо зростає, а твердість майже не змі­нюється. Низькотемпературний відпуск застосовують як кінце­ву термообробку для різальних і вимірювальних інструментів, а також до цементованих і поверхнево загартованих виробів, умови роботи яких вимагають значної поверхневої твердості й високої зносостійкості.

Під час середньотемпературного відпуску загартовану сталь нагрівають до 350...500 °С (див. рисунок 12а). У межах зазначе­них температур нагрівання мартенсит гартування і залишко­вий аустеніт повністю розпадаються на дисперсну феритно-цементитну структуру — троостит відпуску. Така структура по­єднує високі границі міцності, пружності й витривалості. Твер­дість сталі після середньотемпературного відпуску становить 10...50 HRC. Цей вид термообробки застосовують для пружин, ресор, а також ударного інструменту.

Високотемпературний відпуск вимагає нагрівання загарто­ваної сталі до температур 500...650 °С (див. рисунок 12а) і забезпечує повний розпад структур гартування й подальшу коа­гуляцію продуктів розпаду. Утворена зерниста структура — сорбіт відпуску — має високу пластичність та ударну в'язкість при задовільній міцності. Високотемпературний відпуск застосовують для деталей, які сприймають значні ударні та знакозмінні навантаження.

Дата добавления: 2014-01-04