Короткі теоретичні відомості

Т ермічною обробкою сталі називають нагрівання її в твердому стані до визначених температур, витримка при даній температурі та наступне охолодження з різними швидкостями, з метою отримання необхідних фізико-хімічних властивостей і забезпечення бажаної структури. Будь-який режим термічної обробки може бути представлений графічно в координатах "температура-час" (мал. 1).

τ_КР

Мал. 1. Графік термічної обробки

Основою для вивчення процесів термічної обробки є діаграми стану металевих сплавів. Діаграма стану дає в стислій і наочній формі картину зміни будови і властивостей сплаву при зміні концентрації і температури компонентів, дозволяє визначити температуру плавлення, затвердівання і поліморфних (алотропічних) перетворень в сплавах і зв'язати структуру сплавів з його механічними, технологічними та іншими властивостями.

Діаграма стану показує, яким видом термічної обробки може підлягати сплав і в яких температурних інтервалах їх слід виконувати з метою отримання тієї чи іншої структури і властивостей.

Розрізняють чотири основних види термічного оброблення сталі: гартування, відпускання, відпалювання і нормалізація.

Мал. 2. Температурний інтервал нагрівання вуглецевих сталей при їх термічному обробленні

Термічній обробці - загартуванню - звичайно підлягають сплави, які зазнають фазових і алотропічних перетворень Ці сплави здатні до зміцнення. Сплави, які не зазнають алотропічних перетворень, проходять термічну обробку тільки лише з метою отримання більш стабільної (рівноважної) структури.

При термічному обробленні сталей вводять поняття «критичні точки»: Ас₁, Ас₂, Ас₃, Ас₄, Ас_т - при нагріванні і Аr₁ Аr₂, Аr₃ Аr₄, Аr_т - при охолодженні. Критичними точками називаються температурні точки на діаграмі стану, в яких виникають або закінчуються перетворення в сплаві. Температури, які відповідають вказаним точкам, називаються критичними температурами. Ці точки відкрив Д.К. Чернов (1868 p.). Як відомо, за температур, що відпо­відають цим точкам, у процесі нагрівання і охолодження відбува­ються фазові перетворення, а отже, зміц­нення або знеміцнення сталей. Взагалі термічне оброблення сплавів проводять з метою зміцнення (гартування) або знеміцнення (відпалювання, нормалізація, відпускання).

Температура нагрівання для гартування вуглецевих сталей визначається положенням критичних точок Ас₁ і Ас₃.

При нагріванні сталі вище критичної точки Ас₁ перліт перетворюється в аустеніт. Для перетворення перліту в аустеніт необхідна присутність різниці вільних енергій F. Вільна енергія аустеніту повинна бути меншою вільної енергії перліту, це можливо тільки при деякому нагріванні сталі вище критичної точки Aс₁.

При цьому, чим більше буде ступінь перегрівання, тим інтенсивніше буде відбуватися перетворення перліту в аустеніт.

При перетворенні перліту в аустеніт із двох фаз фериту - який містить вуглецю 0,025%, і цементиту, який містить вуглецю 6,67%, утворюється одна фаза - аустеніт із змістом вуглецю 0,8%.

Зародок аустеніту виникає на кордоні розділу кристалів фериту і цементиту, де найбільша ймовірність утворення ділянок, які містять 0,8% вуглецю. Ріст аустенітних зерен, що утворились, проходить за рахунок алотропічного перетворення α-заліза в β-залізо, тобто перебудова кристалічної ґратки ОЦК в ГЦК. При подальшому безперервному нагріванні сталі від температури Ас₁ до Ас₃ і Ас₁ до Ас_т відбувається розчинення фериту доевтектоїдної сталі і цементиту заевтектоїдної сталі в аустеніті. Процес розчинення цементиту протікає повільніше, чим перетворення фериту. Це призводить до того, що в деякий період часу після повного перетворення фериту будуть існувати дві фази: аустеніт і цементит. При збільшенні часу витримки цементит повністю розчиняється в аустеніті. Однак, утворений аустеніт буде неоднорідний за концентрацією вуглецю.

Ділянки аустеніту, які прилягали раніше до цементитних пластинок, в порівнянні з ділянками, які прилягали до фериту, будуть збагачені вуглецем. Для отримання однорідного за складом аустеніту по всьому об'єму потрібно не тільки перейти через точку закінчення перетворення аустеніту, але і дати додатковий час витримки. Перетворення перліту в аустеніт при дуже повільному нагріванні відбувається при сталій температурі Ас₁ і час перетворення досягає 1000-1200 с. При підвищенні швидкості нагрівання перетворення перліту в аустеніт здійснюється в деякому інтервалі температур, що добре видно із діаграми ізотермічного перетворення перліту в аустеніт, яка зображена на мал. 3.

t''₂

Мал. 3. Діаграма ізотермічного перетворення перліту в аустеніт

Діаграма показує, що чим швидше йде процес нагрівання, тим швидше відбувається перетворення перліту в аустеніт та при високій температурі яка дорівнює 850 °С. Тривалість перетворення дорівнює декільком секундам, а при нагріванні вище цієї температури, швидкість перетворення перліту в аустеніт така велика, що експериментально не може бути визначена.

Основним елементам технологічного процесу термічного оброблення сталі є час нагрівання. Загальний час нагрівання складається: з часу нагрівання заготовки (деталі) до заданої температури аустенітизації для отримання аустенітної структури; часу витримки при температурі аустенітизації; часу охолодження з потрібною швидкістю залежно від виду термічного оброблення.

- залежить від нагрівальної здатності середовища, маси, розмірів і форми деталі та від закладання їх у піч (табл. 1).; =В·(1-2) хв.;

В - товщина зразка в мм.

- залежить від швидкості фазових перетворень, які визначаються ступенем перегрівання вище критичної точки та дисперсності структури. = 0,1· , хв.

- залежить від виду термічної обробки.

Питома тривалість нагрівання визначається в хв на 1 мм товщини або діаметру тіла. Нагрівання деталей проводять в лабораторних умовах звичайно в пічці безперервної дії з повітряною атмосферою та продуктами горіння. Печі автоматизовані, що дозволяє підтримувати необхідну температуру нагрівання.

Таблиця 1. Приблизні норми часу нагрівання і витримування заготовок із вуглецевих сталей при гартуванні

Умови і методи нагрівання	Тривалість нагрівання, с/мм, поперечного перерізу заготовки
	круглого	квадрат­ного	прямокут­ного
Муфельна піч (600...650 °С)	55...60	80...90	100...110
Муфельна піч (800...900 °С)	45...50	65...70	85...95
Полуменева піч (800...900 °С)	40...45	55...80	80...90
Соляна ванна (800...950 °С)	12...15	15...18	18...22
Соляна ванна (1300 °С)	6...8	8...10	10...12
Електроіндукційне нагрівання	0,5...0,8	0,6...0,9	0,6...1,0

Для нагрівання виробів до 900 °С використовують електричні камери або муфельні печі (мал. 4) з дротяними нагрівальними елементами електроопору, які найбільше застосовують у лаборато­ріях навчальних закладів. Щоб нагріти вироби, їх завантажують на черен 4 муфеля 2, який ізольований від корпусу печі 1. Тепло в му­фелі утворюється завдяки нагріванню елементів електроопору 3. Муфель закривається дверцятами 8. Температуру в муфелі регу­люють реостатом 6, пересовуючи ручки реостата 7. Для контролю температури в отвір 12 вставляють термопару.

Для нагрівання вище ніж 900 °С використовують електропечі з карборундовими або вугільними нагрівальними елементами.

При нагріванні сталей та інших металів велику увагу необхідно приділяти захисту їх від окислення та зневуглецювання, які тим небезпечніші, чим вище температура нагрівання.

До складу атмосфери печі входять О₂, СО₂, CO, H₂O та ін. В будь-якій захисній атмосфері, щоб вона не окислювала, не зневуглецьовувала, потрібне певне співвідношення компонент.

Зневуглецьовування дуже різко знижує границю, що особливо шкідливо для пружин, ресор, зубчастих коліс. Окислення (тобто утворення окалини) викликає викривлення геометричної форми виробу та погіршує якість поверхні. Шар окалини також є тепловою ізоляцією та знижує швидкість нагрівання стальних виробів.

Щоб уникнути утворення окалини на поверхні заготовки, вико­ристовують соляні електрованни, в яких досягають температур до 1350 °С (табл. 2).

Мал. 4. Муфельна піч: 1 - корпус; 2 - муфель; 3 - нагрівальний елемент; 4 - черен печі; 5 - висувний стіл; 6 - реостат; 7 - ручки реостата; 8 - дверцята; 9, 10, 11 - клеми для елект­рошнура; 12 - отвір для термопари

Таблиця 2. Склад соляних нагрівальних ванн для гартування і відпускання сталевих виробів

Складові ванн	Хімічна формула	Масова частка, %	Темпера­тура плав­лення, °С	Температу­ра нагрі­вання, °С
Селітра каліє­ва + селітра на­трієва	KNO3 + NaNO2	50+50	220	245...500
Селітра натрієва	NaNO2	100	317	325...600
Сіль + кальци­нована сода	NaCl + Na2CO3	50 + 50	560	590...900
Кухонна сіль	NaCl	100	801	830...1100
Хлорид барію	BaCl2	100	962	1100...1350