Гартування сталі

Гартування є поширеною операцією термічної обробки деталей машин і інструментів, її мета - надання матеріалу високої твердості і міцності шляхом утворення нерівноважних структур - мартенситу або бейніту (голчастого троститу).

Існує декілька різновидів гартування сталі. В залежності від товщини загартованого прошарку розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне гартування проводиться в печах і ванних, а поверхнева - струмами високої, підвищеної і промислової частоти, газовим полум'ям і в електролітах. В залежності від режиму охолодження буває об'ємне гартування (рис.7.3) з безперервним охолодженням (1) і з переривчастим охолодженням (2), ізотермічне (4), ступінчасте (3). В залежності від середовища, у якому нагрівають сталь, розрізняють гартування звичайне і з застосуванням захисної атмосфери (світле).

Рис.7.3.Схеми режимів охолодження при різних способах гартування: 1 – безперервне гартування; 2 – переривчасте гартування; 3 – ступінчасте гартування; 4 – ізотермічне гартування

Температуру нагрівання під гартування для вуглецевих сталей вибирають, користуючись діаграмою стану Fe-С (рис.7.1). Доевтектоїдну вуглецеву сталь нагрівають до температур вище точки А с3 (лінія GS), а заевтектоїдну - вище точки Ac1 (лінія РSК) на 30…50 ^оС. Нагрівання заевтектоїдної сталі вище точки А c1 роблять, щоб зберегти в структурі загартованої сталі цементит, що є більш твердою складовою, ніж мартенсит. Таким чином, у той час як температура нагрівання під гартування доевтектоїдної сталі знижується зі зміною вмісту в сталі вуглецю, температура нагрівання заевтектоїдних сталей постійна і складає 760…780 ^оС. Час витримки при нагріванні вибирають в залежності від розмірів виробів й об’єму металу, який завантажується в піч. Після нагрівання і витримки вироби охолоджують у різноманітних гартівних середовищах, які забезпечують необхідну швидкість охолодження. Найпоширенішими гартівними середовищами є: вода, мінеральні масла, розчин їдкого натрію, розплавлені солі, луги і метали, емульсії тощо.

Основна вимога до гартівних середовищ - висока охолоджувальна спроможність в інтервалі температур 650…550 ^оС (температури найменшої стійкості аустеніту на С-подібній кривій) і знижена охолоджувальна спроможність при 300…200 ^оС (в області мартенситного перетворення), коли аустеніт відносно стійкий. Уповільнене охолодження в інтервалі температур 300…200 ^оС необхідне для зменшення внутрішніх термічних напруг.

При ізотермічному і ступінчастому гартуванні охолодження сталі проводиться в гарячих середовищах - у ваннах із розплавленими металами, солями чи лугами.

Охолоджувальну спроможність гартівних середовищ підвищують інтенсивним перемішуванням, здійснюваним різноманітними способами - механічним, за допомогою ультразвукових коливань тощо.

Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є загартовуваність і прогартовуваність. Спроможність сталі до підвищення твердості при гартуванні називають загартовуваністю, а спроможність гартуватися на визначену глибину - прогартовуваністю. Поверхневі прошарки деталей машин і інструменти, які стикаються з гартівним середовищем, охолоджуються швидше, ніж внутрішні; тому не завжди вдається досягти прогартовуваності по всьому перерізу (наскрізної прогартовуваності). При наскрізній прогартовуваності структурною складовою поверхневих прошарків виробу після гартування є мартенсит, а внутрішніх прошарків - троостит. Отже, твердість на поверхні виробу вища, ніж у серцевині. За глибину загартування приймають віддаль від поверхні виробу до прошарку з напівмартенситною структурою (50% мартенситу і 50% трооститу). У сталі з глибокою прогартовуваністю твердість знижується повільно, а з неглибокою - спостерігається різке її падіння в міру віддалення від поверхні.

Крім швидкості охолодження, прогартовуваність залежить від ряду інших чинників: хімічного складу сталі (вмісту легуючих елементів), вихідної структури, діаметра виробу, температури нагрівання під гартування тощо. Прогартовуваність, поряд з іншими технологічними властивостями, є одним із основних при виборі марки сталі і виду її термічної обробки.

При охолодженні сталі в процесі гартування виникають внутрішні напруги термічні і структурні, пов'язані з перебудовою ГЦК-ґратки аустеніту в ґратку мартенситу і зміною об’єму сталі. В результаті виникнення внутрішніх напруг у сталі після гартування з'являються тріщини, короблення, деформації.

Дефектами гартування є також м'які плями, знижені твердість і міцність, зневуглецьовування, окислювання тощо. Застосування різноманітних видів гартування і правильний вибір її режимів дають можливість уникнути цих дефектів або в значній мірі зменшити їх.

Є декілька різновидів об'ємного гартування. При гартуванні в одному охолоджувачі нагріті до температури гартування вироби занурюють у гартівне середовище (найчастіше - воду чи масло), де вони і знаходяться до повного охолодження (рис.7.3, крива 1). Гартування цього виду застосовують як для вуглецевої сталі (охолодження у воді), так і для легованої сталі (охолодження в маслі). Недоліком такого способу гартування є те, що в результаті великої різниці температур нагрітого металу й охолоджувального середовища в загартованих сталях, поряд із структурними, виникають великі термічні напруги, які ведуть до утворення тріщин, короблення й інших дефектів.

Для зменшення термічних напруг застосовують гартування з підстужуванням, коли нагрітий виріб перед зануренням у гартівне середовище якийсь час витримують на повітрі (підстужують). При цьому необхідно, щоб температура виробів не опускалася нижче точки Аr3 -для доевтектоїдної сталі і нижче точки Аr1 - для заевтектоїдної.

Застосовують також гартування в двох середовищах (рис.7.3, крива 2): деталі спочатку охолоджують до 300…400 °С в воді, а потім в маслі. Таке гартування має назву переривчастого і застосовується, переважно, для високовуглецевої інструментальної сталі. Іншим видом гартування є ступінчасте гартування (рис.7.3, крива 3), при якому сталь охолоджують поетапно, у двох різноманітних середовищах. Першим охолоджувальним середовищем є розплавлені солі або масло, нагріті до температури на 20…30 ^оС вище точки Мп, для даної сталі. У гарячому середовищі деталям дають короткочасну витримку (до початку розпаду аустеніту) для вирівнювання температури по всьому об`єму виробів. Ванни, в яких роблять охолодження виробів, мають постійну задану температуру, автоматично регульовану у вузьких межах. Після витримки в гарячому середовищі сталь має структуру аустеніту. Другим охолоджувальним середовищем є повітря. При охолодженні сталі на повітрі відбувається перетворення аустеніту в мартенсит.

Основною перевагою ступінчастого гартування є можливість зменшення термічних напруг, і отже, тріщин і короблення виробів. При ступінчастому гартуванні досягається також сприятливе поєднання високої в’язкості і міцності. Твердість сталі після ступінчастого гартування відповідає твердості мартенситу і складаєНRС 54…60. Застосування ступінчастого гартування обмежено розмірами виробів, тому так гартують, як правило, вироби малих перетинів, що виготовлені з вуглецевої сталі.

Найпрогресивнішим методом гартування, яке забезпечує поєднання високої міцності, пластичності і в’язкості, є ізотермічне (рис.7.3, крива 4), при якому сталь охолоджують у гарячому середовищі (соляних або лужних ваннах). Температура нагрівання середовища різна в залежності від складу сталі, але завжди на 20-100 ^оС вище точки Мп для даної сталі. Перетворення аустеніту в голчастий тростит (нижній бейніт) відбувається під час ізотермічної витримки сталі. Після цього сталь охолоджують на повітрі. Ізотермічному гартуванню особливо часто піддають вироби з високолегованих сталей.

Після гартування твердість сталі підвищується і тим більше, чим більше в сталі вуглецю. Проте, одночасно з цим, у загартованій сталі збільшується вміст залишкового аустеніту, що помітно знижує її твердість. Поряд із високими твердістю і міцністю загартована сталь характеризується зниженими пластичністю і в’язкістю. Змінюються і фізичні властивості: електричний опір і коерцитивна сила після гартування підвищуються, а магнітна проникність і залишкова індукція знижуються. Зміну фізичних властивостей можна використати. Наприклад, заевтектоїдні вуглецеві сталі, застосовувані для постійних магнітів, які повинні мати високу коерцитивну силу, загартовують на мартенсит.