Контрольні запитання

1. Пояснити що називається термічною обробкою?

2. Яка операція термічної обробки називається відпалюванням? Схарактеризуйте види відпалювання 1-го і 2-го роду. З якою метою використовують ці види відпалювання? За рахунок яких явищ або процесів досягається мета при різних видах відпалювання? Яку стру­ктуру і властивості мають сталі після таких термообробок?

3. Пояснити що називається нормалізацією? Мета цього виду терміч­ної обробки? У яких випадках і чому відпалювання можна замі­нити нормалізацією?

4. Структуру сталі 45 і У12 потрібно підготувати до наступної обробки різанням. Пояснити який вид термічної обробки потрібно вибрати з цією метою для кожної із сталей? Чому? Яку структуру і властивості при цьому будуть ма­ти сталі?

5. Пояснити що називається наклепом? Як змінюється структура і чо­му в процесі рекристалізаційного відпалювання наклепаної сталі? Як визначити температуру для проведення рекрис­талізаційного відпалювання?

6. Пояснити за яких умовах у заевтектоїдній сталі вторинний це­ментит виділяється у вигляді сітки по границях зерен і як можна ліквідувати цей дефект?

7. Стальний лист після холодної витяжки і рекристалізаційного відпалювання дістав грубокристалічну будову. Пояснити як можна виправити цей дефект?

Лабораторна робота № 15.

ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НАГРІВАННЯ І ШВИДКОСТІ ОХОЛОДЖЕННЯ

ПРИ ГАРТУВАННІ НА ТВЕРДІСТЬ ВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛІ

Мета: Навчитися вибирати температуру нагрівання і швидкість охолодження для проведення гартування вуглецевих сталей.

Обладнання, матеріали й інструменти

Зразки із доевтектоїдної сталі, муфельні печі, посудини з водою для гартування, наждачний папір, щипці, твердомір.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Гартування – зміцнювальний вид термообробки, що широко застосовується в машинобудуванні для підвищення твердості, міцності та стійкості до спрацювання стальних деталей. Зміна властивості сталі після гартування пов'язана з утворенням метастабільної (нерівноважної) структури.

Для набуття метастабільних структур стальні деталі нагрівають і витримують при температурі існування аустеніту. А потім охолоджують зі швидкістю, яка дає змогу зафіксувати мартенсит. Результати гартування залежать від температури нагрівання, тривалості витримки, швидкості охолодження тощо.

Практично з метою перетворення перліту на аустеніт сталь потрібно нагріти вище лінії евтектоїдного перетворення (див. рис. 10.1), витримати до утворення однорідного за складом аустеніту й охолодити з критичною швидкістю гартування, що не допускає утворення рівноважної температури. Процес гартування сталі внаслідок перетворення кристалічної решітки супроводжується збільшенням внутрішніх напружень, що можуть бути більшими за границю міцності стальної деталі, що гартується. Тому після її гартування зразу чи через деякий час можуть зявитися тріщини. З метою ліквідації руйнівних внутрішніх напружень у деталі проводять відпускання сталі, після чого мартенсит переходить в одну із структур – мартенсит, тростит або сорбіт відпускання.

Для гартування доевтектоїдної сталі її нагрівають до температури вище критичної точки А_С3, а евтектоїдну і заевтектоїдну сталі – вище точки А_С1 на 30…50°С, витримують при цій температурі й охолоджують зі швидкістю, не меншою за критичну. Підвищення твердості загартованої евтектоїдної сталі порівняно з відпаленою значне, приблизно в 3,5 рази. Якщо до гартування відпалена сталь мала твердість НВ 180, то після нього її твердість зростає до НВ 670.

Гартують як здебільшого сталі із підвищеним умістом вуглецю, а сталі, в яких він менший за 0,3%, не гартують, оскільки в них не відбувається суттєвого підвищення твердості та міцності.

Загартована доевтектоїдна сталь має структуру дрібноголкового мартенситу з незначною кількістю залишкового аустеніту, евтектоїдна сталь – структуру мартенситу з залишковим аустенітом, а заевтектоїдна – структуру мартенситу із вторинним цементитом і залишковим аустенітом.

Залежно від режиму термообробки розрізняють повне та неповне гартування сталі. Для повного гартування сталь нагрівають до температури на 30…50°С вище критичної точки А_С3 (А_cm), а для неповного – вище точки А_С1, але нижче точки А_С3 (А_cm). Температура гартування визначається залежно від умісту вуглецю відповідно до ліній діаграми залізо-цементит (рис. 10.1). Для доевтектоїдної сталі застосовують тільки повне гартування, а для заевтектоїдної – неповне, коли в її структурі залишається надлишковий цементит, який не розчинився.

Нагрівання доевтектоїдної сталі вище А_С3 на 70…100°С шкідливе, оскільки призводить до росту зерна аустеніту і до утворення після швидкого охолодження грубоголкового мар­тенситу. Крім того, в структурі загартованої сталі збережеться більша кількість залишкового аустеніту. В результаті перегрівання погіршаться механічні властивості (твердість і міцність зменшаться).

Для неповного гартування виробів з доевтектоїдної сталі їх потрібно нагрівати в інтервалі температур, що відповідають критичним точкам А_С1 - А_С3, унаслідок чого утвориться структура аустеніту з деякою кількістю фериту. Після охолодження вона буде складатися з мартенситу і фериту. Останній має невисоку міцність, він мякий і його присутність у загартованій сталі небажана, тому що ферит зменшує міцність сталі. Отже, неповне гартування доевтектоїдної сталі недоцільне. У зв’язку з цим доевтектоїдні сталі піддають повному гартуванню, тобто нагрівають їх до температури вищої А_С3 на 30…50°С.

При нагріванні вище А_С1 на 30…50°С евтектоїдна сталь має структуру аустеніту, а заевтектоїдна – аустеніт + цементит. Після гартування в евтектоїдній сталі утворюється структура мартенситу, а в заевтектоїдній – аустеніт + цементит. Крім того, в структурі цих сталей буде перебувати деяка кількість залишкового аустеніту.

Нагрівання заевтектоїдної сталі вище А_сm непотрібне і навіть шкідливе, оскільки сталь після гартування стає більш крихкою і не дає підвищення твердості. Цементит – дуже тверда складова, тому присутність його у загартованій на мартенсит сталі не знижує її твердості, нагрівання ж вище А_сm веде до перегрівання сталі (утворення грубоголчастого мартенситу з підвищеною кількістю залишкового аустеніту). У зв’язку з цим всі заевтектоїдні сталі піддають неповному гартуванню, тобто їх нагрівають вище А_С1 на 30…50°С.

Час нагрівання для гартування складається із часу прогрівання зразка (деталі) до заданої температури і часу витримки при цій температурі.

Тривалість витримки при температурі гартування визначається часом, потрібним для перетворення вихідної структури в аустеніт і вирівнювання його хімічного складу по всьому об’єму.

Час нагрівання залежить також від конструкції нагрівального пристрою. При нагріванні в електричних повітряних печах швидкість нагрівання складає 0,8…1 хв. на 1 мм перерізу зразка.

Швидкість нагрівання в соляній ванні в 2 рази вища, ніж в електричній печі, а в розплавленому свинці в 3-4 рази.

Швидкість охолодження сталі при термічній обробці визначається в основному потребою отримання певної структури. Вирішальну роль в утворенні мартенситу при гарту­ванні сталі відіграє швидкість охолодження аустеніту. Як засвідчує діаграма ізотермічного розпаду аустеніту, вона має бути більшою за критичну, але не повинна виходити за межі інтервалу температур мінімальної стійкості аустеніту.

В області температур, розташованих вище точки мінімальної стійкості аустеніту, вигідним є охолодження сталі з помірною швидкістю. Для середньовуглецевих сталей область мінімальної стійкості аустеніту лежить між 650 і 500°С. При вищих температу­рах аустеніт відносно стійкий, і передчасне перетворення його на феритно-перлітну суміш не відбувається. Водночас при плавному охолодженні сталі в області високих температур вирівнюється температура по перерізу і змен­шуються температурні напруження. Сталь ще досить пластична, тому ймовірність короблення сталевих виробів та утворення тріщин – мінімальна.

Повільне охолодження сталі бажане також в області, розташованій нижче інтервалу температур мінімальної стій­кості аустеніту, тому що там його стійкість знову підви­щується. При 300°С і нижче швидке охолодження сталі особливо небезпечне внаслідок того, що вона стає не та­кою пластичною, ніж при високих температурах. Термічні напруження в сталі додаються до напружень, які виника­ють при перетворенні аустеніту на мартенсит. Тому при швидкому охолодженні підвищується небезпека утворен­ня тріщин і короблення сталі.

Швидкість охолодження сталевих деталей можна регу­лювати, застосовуючи різноманітні гартівні середовища: воду, водяні розчини солей, кислот, лугів і полімерів, різ­ні масла, розплавлені солі та метали, емульсії тощо.

Головною вимогою до гартівних середовищ є велика охолоджувальна здатність в інтервалі температур 650...550°С (тем­пературний інтервал мінімальної стійкості аустеніту за С-подібною кривою) і зменшена охолоджувальна здатність при 300°С та нижче (в інтервалі температур мартенситного пе­ретворення).

Гартування найчастіше здійснюють занурюванням на­грітого виробу в охолодне середовище. Охолодження від­бувається в три стадії: спочатку плівкове кипіння, потім з'являються пухирці та контактний теплообмін. Спершу швид­кість охолодження виробу незначна, оскільки на першій стадії утворюється плівка пари, що обгортає всю поверх­ню виробу й уповільнює теплообмін. Далі настає друга стадія охолодження, яка характеризується руйнуванням парової плівки. Внаслідок цього відбувається зіткнення всієї поверхні виробу з рідиною. Збільшуються теплооб­мін і швидкість охолодження. А далі виріб охолоджується до температури, за якої не відбувається кипіння рідини та пароутворення. Тому процес охолодження виробу прохо­дить із невеликою швидкістю, в основному відведенням теплоти рідиною, тобто охолодження переходить у третю стадію – конвективний теплообмін.

На швидкість гартування сталі впливають природа охо­лоджувальної здатності рідини та її температура. Гартівне середовище до­бирають, виходячи з критичної швидкості гартування ста­лі. Залежно від інтенсивності її охолодження внаслідок гартування можна здобути структуру мартенситу, трооститу чи сорбіту. Орієнтуючись на кінцеву структуру, для охолодження сталі добирають відповідне охолоджувальне сере­довище. Воно повинно бути нетоксичним, дешевим, ви­бухово- і пожежобезпечним і мати інші властивості, що забезпечують нормальну роботу цеху.

Поширеними охолоджувачами вважаються вода й масло. Останнє застосовується при гартуванні вуглецевих сталей, якщо потрібні малі швидкості охолодження. Найпошире­нішим і дешевим охолодником, що має дуже велику охо­лодну здатність при завантаженні в нього деталей, є зви­чайна холодна вода.

Охолоджувальним середовищем, крім рідини, можуть бути по­вітря, гази та металеві плити. Під час охолодження нагрі­тих деталей струменем повітря чи газу його спрямовують на поверхню деталі або навіть залишають деталі в примі­щенні цеху, де вони охолоджуються досить повільно. Охо лоджувати нагріті деталі можна також, затиснувши їх між холодними металевими плитами. Порівняльну характери­стику охолоджувальної здатності різних середовищ наведено в табл. 15.1.

Таблиця 15.1. Швидкість охолодження сталі в різних гартівних середовищах

Гартівне середовище	Швидкість охолодження (°С/с), в інтервалі температур °С
	650...550	300...200
Дистильована вода Вода при температурі, °С: 18 28 45 74 10%-й водяний розчин при 18 °С: NaОН NaCl Na2СO3 Н2SO4 5%-й водяний розчин КМnO4 Гліцерин Емульсія масла у воді Мильна вода Масло: мінеральне машинне трансформаторне Сплав 75 % Sn і 25 % Сd при 175 °С Плити: мідні сталеві Повітря: спокійне підтиском	250 600 500 100 30 1200 1100 800 750 450 135 70 30 150 120 450 60 35 3 30	200 270 270 270 200 300 300 270 300 100 175 200 200 30 25 50 30 15 1 10

Велику охолоджувальну здатність має вода та водяні розчини лугів і солей з температурою 18°С. Їх найчастіше застосо­вують для гартування сталі з малою стійкістю аустеніту.

Висока охолоджувальна здатність води та деяких водяних роз­чинів пов'язана з великою теплоємністю й, головне, з високим значенням теплоти пароутворення води. З під­вищенням температури її охолоджувальна здатність різко спадає і при 50°С стає меншою від охолоджувальної здатності масла. Кипляча вода взагалі не забезпечує гартування, оскільки виріб, занурений у таку воду, покривається шаром мало-теплопровідної пари, який утруднює охолодження сталі. Поява парової оболонки або прилипання пухирців пари до поверхні охолоджуваного виробу може відбутись також при його охолодженні в холодній воді, що може призвести до «плямистого» гартування. Тому виріб у гартівній ванні по­трібно енергійно рухати, а вода в ній має бути проточною. Різко підвищують охолоджувальну здатність води розчинені в ній солі, луги тощо (див. табл. 15.1).

Найкращі охолоджувальні властивості має підігріте масло. То­му гартування сталі проводять у нагрітому маслі (до 70...80°С), а щоб уникнути «пістрявості» гартування, здійснюють циркуляцію масла і жорсткий контроль його температури. Масляне охолоджувальне середовище створює рів­номірні умови охолодження сталі в усьому інтервалі тем­ператур охолодження. Застосування циркуляції масляно­го охолоджувального середовища, як і водяного, підвищує швид­кість охолодження сталі, причому охолодження її в маслі сприяє утворенню однорідної структури в загартованих деталях. Тому масло, як охолоджувач, не можна замінити ні нагрітою водою, ні водяними емульсіями.

До недоліків, які має мінеральне масло, можна віднес­ти повільне охолодження сталі у перлітному інтервалі тем ператур та зниження гартівної здатності внаслідок його загусання у процесі нагрівання, спалахування і пригорян­ня до поверхні виробів. До того ж масло – дорогий охо­лоджувач. Через це ведуться пошуки дешевших та задовіль­них за швидкістю охолодження синтетичних охолоджувальних середовищ.

Як охолоджувальне середовище застосовують також водяні розчини полімерів, які за своїми охолоджувальними властивос­тями посіють проміжне місце між водою і маслом. Швид­кість охолодження деталей у розчинах полімерних сере­довищ порівняно з водою більш уповільнена, оскільки по­лімерний охолоджувач має високу в'язкість і під час гарту­вання на поверхні виробів утворює рівну плівку полімеру, що погіршує теплообмін. Характерною особливістю охо­лоджувачів у вигляді розчинів пластмас є їхня властивість захищати поверхні від окиснення, а виробів – від появи тріщин. Як присадки до гартівного середовища викорис­товують поліетиленгліколь, полівініловий спирт, метил­целюлозу, ефір, гліцерин тощо.

Суміші води та масла й інші емульсії мають дуже низь­ку гартівну здатність порівняно з водою, а розплавлені легкоплавкі суміші солей чи металів – ще слабкішу. До слабких охолоджувачів належать також мідні та сталеві пли­ти, повітря під тиском і спокійне.

Як охолоджувач останнім часом заслуговує на увагу кип­лячий шар – охолодження виробів у середовищі дрібних твердих частинок (наприклад, піску), які підтримують у завислому стані продуванням повітря або інших газів. Швидкість охолодження в киплячому шарі посідає промі­жне місце між швидкістю охолодження в маслі та на пові­трі. Вона залежить від тиску і температури повітря (газу). Гартування сталі в киплячому шарі забезпечує рівномір­ність її охолодження, відсутність парової сорочки і корозії поверхні. Такі поширені охолоджувачі, як гліцерин, масло, розплавлені солі, формують у сталевих виробах, що гарту­ються, структуру мартенситу або бейніту. Для гартування деталей на мартенсит застосовують такі охолоджувачі: воду з температурою 18°С; 10%-ні водяні розчини NaОН, HС1, Н₂S0₄. При гартуванні сталі на троостит як охолоджувач використовують: воду з температурою 50°С, емульсію ма­сла у воді, мінеральне машинне масло, трансформаторне масло, мідні плити. Для гартування сталевих деталей на сорбіт застосовують воду з температурою 74°С, мильну воду, сталеві плити.

Залежно від виду виробів та охолоджувального обладнання треба застосовувати відповідні способи занурення їх в охо­лоджувач. Неприпустимо, наприклад, класти виріб, що охо­лоджується, на дно ванни. Під час занурювання виробів можна керуватися такими положеннями: довгі та вузькі вироби (свердла, розвертки, протяжки, напилки) потрібно за­нурювати строго вертикально, тонкі й плоскі (дискові фре­зи, пилки, пластини тощо) – вузьким боком, порожнисті (циліндричні фрези, штампи тощо) – порожниною до вер­ху. Громіздкі вироби треба охолоджувати проточною рідиною. Для місцевого гартування нагрівають відповідне міс­це виробу й охолоджують його струминою рідини, або ж виріб уміщують у ванну нагрітою частиною, що гартується.