Загартування сталей

Лекцiя з теми: «Загартування сталей» 1. Загартування сталей гартуванню структур в аустенiт, а потiм швидко охолоджують у водi абооливi. Загартування здiйснюють для отримання нерiвноважної структури. Для конструкцiйних та iнструментальних сталей загартування проводять з метою їх змiцнення та пiдвищення твердостi i зносостiйкостi. Пiсля загартування проводять вiдпуск або старiння. Загартування може бути об’ємним (нагрiв та перетворення в усьому об’ємi виробу) та поверхневим (нагрiв i перетворення в поверхневому шарi). загартування - мартенситу пiсля загартування сплавiв (сталей) з полiморфним перетворенням; - перенасиченого твердого розчину пiсля загартування сплавiв без полiморфного перетворення. Вид та рiзновид Призначення 1 2 3 Загартування з полiморфним перетворенням: Нагрiв на 30-50˚С вище АС3 для доевтектоїдної i АС1 для заевтектоїдної сталей (для легованих сталей на 200ºС вище), витримка для завершення фазових перетворень та подальше охолодження зi швидкiстю, бiльшою за критичну у водi, оливi тощо Мартенситне перетворення аустенiту для пiдвищення механiчних властивостей Загартування з без-перервним охолодженням в одному середовищi Для одержання структури мартенситу Загартування зi швидким охолодженням (у водi) до температур вище МПº i подальшим повiльнiшим охолодженням (в оливi або на повiтрi) в iнтервалi МПº- МК º Для одержання структури мартенситу та зменшення внутрiшнiх напружень Загартування з охолодженням у середовищi з температурою трохи вищою МПº, короткочасною витримкою для вирiвнювання температури, зi збереженням аустенiту та подальшим його розпадом при охолодженнi на повiтрi Для отримання структури мартенситу i зменшення внутрiшнiх напружень iзотермiчне Загартування з охолодженням у середовищi з температурою трохи вищою МП˚, iзотермiчною витримкою до повного або часткового розпаду аустенiту та подальшим охолодженням на повiтрi iз самовiдпуском Загартування з охолодженням лише поверхнi або частини виробу короткочасним зануренням в охолоджуюче середовище з подальшим самовiдпуском за рахунок залишкового внутрiшнього тепла Для отримання структури мартенситу вiдпуску або структури продуктiв розпаду мартенситу Полягає в охолодженнi загартованої сталi до температур нижче 0˚С (нижче МК˚) Для перетворення залишкового аустенiту в мартенсит Нагрiв сплаву (сталi) до температури, яка забезпечує необхiдне розчинення вторинних фаз, витримка та охолодження з високою швидкiстю (для запобiгання розпаду пересиченого твердого розчину, видiленню фаз) Для отримання перенасиченого нерiвноважного твердого розчину. Загартований вирiб буде мати нижчу твердiсть та вищу пластичнiсть За способом охолодження може бути безперервним, ступiнчастим або iзотермiчним Загартування зiстареного сплаву з нагрiвом до температури, яка перевищує температуру попереднього старiння, короткочасною вит-римкою та швидким охолодження Для вiдновлення загартованого стану Загартуванням називають термообробку, що включає в себе нагрiвання сталей до температур вище критичних i швидке, рiзке охолодження, з метою одержання високої мiцностi й твердостi. Розрiзняють загартування об'ємне й поверхневе. При об'ємному загартуваннi нагрiвають i охолоджують весь об’єм деталi, при поверхневому - тiльки поверхня. Залежно вiд температури нагрiвання загартування буває повне й неповне. При повному загартуваннi сталь нагрiвають вище точки А3 . Повне загартування застосовується для доевтектоїдної сталi. У цьому випадку при нагрiваннi вище точки А3 сталь має повнiстю аустенiтну структуру й пiсля рiзкого охолодження має повнiстю мартенситну структуру. При неповному загартуваннi повне перетворення не вiдбудеться, i ферит залишиться в структурi, не дасть одержати високої твердостi й мiцностi. Тому в доевтектоїдноiй сталi неповне загартування не застосовують. Для заевтектоїдної сталi застосовують тiльки неповне загартування. В цьому випадку вторинний цементит, що зберiгається в сталi, додатково пiдвищує твердiсть загартованих сталей. Якщо ж застосувати повне загартування, то вторинний цементит розчиняється в аустенiтi. Це супроводжується рiзким збiльшенням зерна. Пiсля охолодження в такiй сталi буде велика кiлькiсть залишкового аустенiту. Це додатково зменшить твердiсть сталi, тому для заевтектоїдної сталi повне загартування нiколи не застосовується. Витримка при загартуваннi сталi повинна бути такою, щоб встигли пройти всi структурнi й фазовi перетворення. Однак вона не повинна бути надмiрною, щоб не викликати росту аустенiтного зерна. Звичайно орiєнтовно витримку деталi приймають з розрахунку 1 хвилину на 1 мiлiметр товщини для нагрiвання й + 1 хвилина на 1 мiлiметр товщини для вирiвнювання температури по перетинi й проходження всiх структурних i фазових перетвореннях. Охолодження при загартуваннi повинне бути швидким, для того, щоб не допустити утворення перлiту, але в той же час - максимально повiльним, щоб зменшити рiвень внутрiшнiх напружень, що виникають в деталях при рiзкому охолодженнi. Внутрiшнi напруження можуть бути термiчнi й структурнi. Термiчнi виникають через неоднакову швидкiсть охолодження поверхнi й центрiв масивних деталей, а також при неоднаковiй швидкостi охолодження тонких i товстих перетинiв деталi. Структурнi напруги виникають через об'ємний ефект при переходi А- М. Залежно вiд вмiсту вуглецю цей об'ємних ефект досягає 5-6%. Рiвень внутрiшнiх напружень може бути настiльки великий, що в результатi вiдбувається перекручування форми деталi або її розтрiскування. Охолодження при загартуваннi може вестися в граничних середовищах (вода, олива технiчна, мiнеральна, водно-повiтрянi сумiшi, повiтря). Вiд швидкостi охолодження залежить структура, що утворюється у сталi пiсля загартування. Якщо швидкiсть недостатня, то одержується перлiтна структура. Вони вiдрiзняються одна вiд iншої рiзним розмiром часток перлiту й цементиту. Якщо швидкiсть охолодження при загартуваннi досить велика, для того, щоб не утворився перлiт, але занадто мала для утворення мартенситу в сталях, з'явиться промiжна структура - бейнiт. Зовнi вона має голчасту структуру як мартенсит, але самi голки являють собою ферит, усерединi якого видiляються дрiбнi частинки цементу. Якщо швидкiсть охолодження сталi перевищує критичну швидкiсть, то утвориться мартенсит, що забезпечує максимальну твердiсть загартованої сталi. Найбiльш ефективне охолодження забезпечує вода, але її недолiк - занадто швидке охолодження в iнтервалi мартенситного перетворення. В результатi виникають великi внутрiшнi напруження. Мiнеральна олива навпаки дає малу швидкiсть охолодження в областi мартенситного перетворення, але не досить швидку в областi перлiтного перетворення. Для того, щоб забезпечити загартування сталей на мартенсит необхiдно швидко охолоджувати її в областi перлiтного перетворення. Але якщо з такою ж швидкiстю охолоджувати її й далi в областi мартенситного перетворення, то в деталi виникають рiзкi гартiвнi напруги. Тому бажано проводити охолодження в областi мартенситного перетворення по можливостi повiльнiше, але середовища зi змiнною швидкiстю охолодження не iснує й тому для рiзних деталей застосовують рiзнi способи охолодження, щоб одержати загартований стан з мiнiмальним рiвнем внутрiшнiх напружень. 1. Охолодження в одному охолоджувачi (водi, оливi). Недолiк - дуже рiзкi внутрiшнi напруження. Щоб їх зменшити застосовують другий спосiб загартування. 2. Загартування у двох середовищах (з води в оливу). За цим способом на початку деталь охолоджують у водi, до температури нижче перлiтного перетворення, а потiм перекладають до остаточного охолодження в оливу. Цей спосiб складний та вимагає високої квалiфiкацiї робiтникiв, вiд яких потрiбно витримувати деталь певну кiлькiсть часу у водi. Якщо витримка буде мала, то при подальшому охолодженнi попадаємо в перлiтне перетворення, i загартування не вiдбудеться, а якщо витримка занадто бiльша, то в деталях виникають великi внутрiшнi напруження. 3. Схiдчасте загартування. При схiдчастому загартуваннi нагрiту деталь охолоджують швидко до заданої температури в спецiально нагрiтому середовищi, у якостi якого використовуються розплави металiв або солей. Час витримки в гарячому середовищi визначають маркою сталi й може бути чiтко визначений по секундомiру, пiсля цього йде закiнчення охолодження у водi або маслi. Витримка в гарячому середовищi дозволяє вирiвняти температуру по всьому перетину деталей, тому при остаточному охолодженнi у водi, або оливi перетворення аустенiту в мартенсит iде одночасно по всьому об’ємi деталi, що дозволяє рiзко знизить рiвень внутрiшнiх напружень. Такий спосiб загартування застосовують для великогабаритних деталей складної форми, щоб до мiнiмуму знизити перекручування форми. 4. Ізотермiчне загартування. Цей спосiб застосовується для великогабаритних деталей, якi не можна охолоджувати дуже швидко, через небезпеку руйнування. При охолодження здiйснюють у соляних ваннах з температурою розчину 220-300°С. Пiсля витримки у соляних ваннах металохолоджують на повiтрi. При iзотермiчному загартуваннi нагрiтi деталi помiщають у гаряче середовище, нагрiте до заданої температури 350-400 градусiв, у якiй витримують до повного проходження перетворення аустенiту в троостит або бейнiт. Пiсля повного перетворення деталь звичайно охолоджується на повiтрi. Додаткового вiдпуск пiсля такого загартування не потрiбен. Температура навколишнього середовища вибирається термообробкою, що забезпечує задану твердiсть в деталi структуру. 5. Загартування з обробкою холодом. При загартуваннi високовуглецевих сталей, що мiстять нiкель, молiбден, вольфрам навiть пiсля повного охолодження до нормальної температури перетворення аустенiту в мартенсит проходить не повнiстю. Залишковий аустенiт має невисоку твердiсть i тому твердiсть деталi пiсля загартування буде недостатньою. Для усунення залишкового аустенiту загартованi деталi додатково охолоджують в областi вiд’ємних температур 70-80 градусiв, парами вуглекислоти або рiдкого азоту. Додаткове охолодження викликає перехiд залишкового аустенiту в мартенсит i твердiсть загартованої сталi пiдвищується. 6. Загартування iз самовiдпуском. Цей спосiб загартування застосовуються для деталей, якi повиннi мати рiзну твердiсть у рiзних мiсцях. Щоб одержати змiнну твердiсть, нагрiту деталь помiщають в охолоджене середовище тiльки робочою поверхнею, залишаючи хвостовик над поверхнею охолоджуючого середовища. Пiсля повного охолодження поверхнi деталей витягають iз охолоджуючого середовища й за рахунок тепла, що збереглося у хвостовiй частинi, вiдбувається розiгрiв робочої поверхнi i її вiдпуск. Температуру розiгрiву поверхнi контролюють по кольорам мiнливостi. загартування сталь охолодження поверхня3. Поверхневе загартування Цей спосiб застосовується для виробiв, у яких повинна бути загартована поверхня й в’язка серцевина (шестiрнi, вали). При поверхневому загартуваннi нагрiвання проводиться не всiєї деталi, а тiльки її поверхнi. Пiсля нагрiвання вiдразу проводиться охолодження. Тому структурнi змiни зачiпають тiльки поверхня. Залежно вiд способiв нагрiвання розрiзняють кiлька видiв поверхонь загартування:1. Загартування зануренням - розiгрiв поверхнi ведеться за рахунок короткочасного занурення деталi в гаряче середовище. Пiсля нагрiвання деталi охолоджують у водi або маслi. Товщина загартованого шару визначаються часом витримки в гарячому середовищi. Недолiк - неможливiсть одержання тонкого загартованого шару. 2. Газополум’яне загартування. Розiгрiв поверхнi деталi проводиться за рахунок нагрiвання полум'ям газового пальника. Достоїнство способу в його унiверсальностi, недолiк - висока температура полум'я викликає перегрiв поверхнi i як наслiдок - крупне зерно, вигоряння вуглецю, легуючих елементiв, рiзкий градiєнт температури, можливе вiдшаровування загартованого шару. 3. Загартування СВЧ - струмами високої частоти (iндукцiйне загартування). Розiгрiв деталi вiдбувається за рахунок наведення в нiй струмiв високої частоти. Деталь мiститься усередину iндуктора, пiдключеного до джерел струмiв високої частоти. Достоїнство способу - висока продуктивнiсть недолiк - потреба в складному устаткуваннi, для кожної деталi необхiдний свiй iндуктор, наявнiсть шкiдливих електромагнiтних полiв. 4. Загартування з нагрiванням поверхнi лазером. При цьому способi загартування розiгрiв поверхнi здiйснюється за рахунок впливу на неї високоенергетичного пучка випромiнювання. Інтенсивнiсть енергiї настiльки велика, що поверхня на протязi декiлькох часток секунд може бути нагрiта до розплавлювання. Охолодження поверхнi пiсля нагрiвання вiдбувається за рахунок тепловiдводу вглиб деталi. Додаткове охолодження водою не потрiбно. Перемiщаючи промiнь лазера по поверхнi можна гартувати як окремi дiлянки деталi, так i всю її поверхню. Цим способом можна гартувати внутрiшнi поверхнi деталi, не гартуючи її зовнiшню поверхню. Глибина загартованого шару регулюється часом, висвiтлюючи її лазером. При такому способi загартування вона може мiнятися вiд декiлькох мiкронiв до десяткiв i сотень мiкрон. Таблиця 2 Трiщини יємнi змiни при перетвореннi аустенiту в мартенсит при температурi нижче 300˚С та рiзкими переходами перерiзiв застосовувати лише легованi сталi; 3) не допускати попадання води в загартувальний бак з оливою; 4) повiльно нагрiвати загартованi вироби при перезагартуваннi та високому вiдпуску; 5) виточки, отвори бiля країв, рiзкi переходи заповнювати азбестом, глиною i т. д. Низька твердiсть Понижена температура загартування, недостатня витримка в печi та низька швидкiсть охолодження Вирiб нормалiзувати або вiдпалити i знову загартувати iз дотриманням режиму Огляд зламу, випробування на удар Значне пiдвищення температури загарту-вання або занадто довготривала витримка. Перегрiв, перепал М’якi плями Визначення твердостi в рiзних мiсцях Повiльне охолодження, мiсцеве зневуглецьовування та утворення окалини, нерiвномiрнiсть величини зерна, забруднення сталi пiдвищеним вмiстом шлаку, дотикання деталей при охолодженнi загартування на 20…30˚С вище нормальної Окислення та зневуглецьовування Окислення – оглядом; зневуглецьовування – вимiрюванням твердостi Сполука кисню повiтря, який знаходиться в печi, з залiзом при окисленнi; iз вуглецем при зневуглецьовуваннi сумiшшю деревного вугiлля з 5% соди i т. п. В солянi ванни для запобiгання зневуглецьовуванню додають два рази на змiну мелений 75%-ний феросилiцiй в кiлькостi 150…200 г за один прийом, буру, борну кислоту, жовту кров’яну сiль або ведуть розкислення деревним вугiллям Деформацiя Перевiрка розмiрiв Структурнi перетворення в iнтервалi температур 650... 500°С та нижче 300°С, якi викликають деформацiю Брак переважно невиправний. Для попередження браку необхiдно понизити температуру загартування, зменшити швидкiсть охолодження, застосовувати дрiбнозернисту леговану сталь Короблення Невiрне занурення в охолоджувальне середовище, внутрiшнi напруження у виробах перед нагрiвом пiд загартування та iн. iнтервалi, невiрне занурення в загартувальне середовище, рiвномiрний нагрiв та вiдбракування кривих деталей перед загартуванням Роз’їдання (точкове або ручаї- стоподiбне) поверхнi виробу Нерiвномiрне утворення окалини. Дотикання зi свинцем, що розлився по черенi печi. Пiдвищений вмiст сiрчанокислих солей та хiмiчна дiя хлористих солей в соляних ваннах Попередження браку: ретельний контроль солей для нагрiву; розкислення соляних ванн засипання дзеркала свинцевої ванни деревним вугiллям; усунення окислюючої атмосфери в печах; спостереження за чистотою черенi печi Нафталiновий злам (характений для швидкорзальної сталi дiамет-ром бiл-ше 12 мм) Перегартування iнструменту без промiжного вiдпалу Нагрiв до температури 1140... 1160°С з витримкою 3... 8 хв, охолодження з витримкою при температурi 720-800°С протягом 15-30хв, пiсля цього охолодження на повiтрi; вiдпал; термiчна обробка з дотриманням режиму Брак при свiтлому загартуваннi в розплавi лугу з кольорами побiглостi 1) прогрiти свiтлу деталь в лужнiй ваннi i замочити її у водi; 3) перевiрити хiмiчний склад соляної ванни; Недостатньо розкислена соляна ванна Ванна занадто рiдкотекуча Розкислити лужну ванну жовтою кров’яною сiллю Додати сiль, якої не вистачає Скласти нову ванну Налiт сажi на За зовнiшнiм виглядом Лужна ванна мiстить надлишкову кiлькiсть жовтої кров’яної солi Прогрiти луг при робочiй температурi на протязi декiлькох годин Твердiсть нижча за потрiбну Вимiрювання твердостi Не змiшується луг Забезпечити перемiшування лугу