Контрольні запитання

1. Схарактеризувати механізм і специфіку мартенситного перетворення. Які особливості вигляду мікроструктури мартенситу під металографічним мікроскопом?

2. Схарактеризувати механізм бейнітного перетворення. Чим відрізняється структура нижнього бейніту від верхнього?

3. Який вид термічної обробки називається гартуванням? З якою метою використовують гартування сталей? Від чого залежать температура нагрівання, час нагрівання і тривалість витримки при гартуванні сталь­них виробів? Схарактеризуйте середовища, що використовують для охолодження при гартуванні?

4. Які ви знаєте способи гартування сталей? Їх призначен­ня, суть, технологія проведення? Які дефекти і чому можуть виникнути при гартуванні сталей?

5. Які ви знаєте практичні прийоми гартування деталей (з ввігнутою поверхнею, видовженої форми, зі змінним перерізом, плоских тощо).

6. Чим пояснюється, що твердість заевтектоїдної сталі після повного гартування зі збільшенням вмісту вуглецю в сталі зменшується?

7. Чим можна пояснити доцільність повного гартування доевтектоїдних сталей і неповного гартування заевтектоїдних сталей?

8. Мітчики із сталі У12 загартовані: перший від темпера­тури 760 С, другий – від температури 850°С. Використо­вуючи діаграму стану залізо - цементит, поясніть, який із цих мітчиків загартований правильно, має кращі рі­жучі властивості і чому?

9. Чим пояснюється менша можливість утворення гартувальних тріщин при застосуванні масла як охолоджувача?

Лабораторна робота № 16. Визначення прогартовуваності сталі методом торцевого гартування

Мета: Навчитися визначати прогартовуваність сталі дослідним шляхом.

Обладнання, матеріали та інструменти

Муфельна піч, потенціометр, термопара, твердомір Роквелла, зразки для торцевого гартування, стальний циліндричний стакан з графітовою або вугільною підставкою і кришкою, пристрій для торцевого гартування, пристосування для вимірювання твердості.

Короткі теоретичні відомості

Загартовуваність і прогартовуваність – найважливіші характеристики сталей. Це пов’язано з тим, що більшість деталей машин вимагають поєднання високих значень в’язкості і міцності. Для цього їх піддають комплексній термічній обробці – поліпшенню, тобто гартуванню на мартенсит і високому відпусканню на сорбіт. Вибір поліпшення як виду термообробки виправдовується тим, що найбільш важлива характеристика, що визначає якість деталі,  ударна в’язкість, завжди одержується максимальною при високому відпуску мартенситу. Тому важливо при гартуванні отримати мартенсит по всьому перерізу виробу.

Мартенсит утворюється тільки в тих частинах деталі, що охолоджуються із швидкістю, рівною або більшою за критичну. Там, де швидкість охолодження менша за критичну, перетворення аустеніту відбувається з утворенням структур проміжного перетворення (голчастого трооститу – бейніту) або ферито-цементитних структур різного ступеня дисперсності (трооститу, сорбіту, перліту).

Здатність сталі загартовуватися на більшу або меншу глибину називається прогартовуваністю. Прогартовуваність – одна з найважливіших характеристик. Під прогартовуваністю розуміють глибину проникнення загартованої зони. Прогартовуваність потрібно відрізняти від загартовуваності. Загартовуваність – здатність сталі набувати в результаті гартування високої твердості. Загартовуваність визначається твердістю поверхні загартованої деталі і залежить передусім від концентрації вуглецю в сталі.

Експериментально встановлено, що різке падіння твердості відбувається тоді, коли в структурі загартованої сталі поряд з мартенситом кількість трооститу досягає 40…60%. Тому за глибину проникнення загартованої зони, що характеризує прогартовуваність, береться відстань від поверхні виробу до шару з напівмартенситною структурою, тобто із структурою, що складається із 50% мартенситу і 50% трооститу. Зазначена відстань називається характеристичною відстанню, а твердість напівмартенситного шару – критичною твердістю. Критична твердість залежить від концентрації вуглецю в сталі (табл. 16.1).

Швидкість охолодження сталі залежить в основному від охолоджувальної здатності гартувального середовища, розмірів і форми деталей. Критична швидкість гартування, в свою чергу, визначається концентрацією вуглецю і легувальних елементів у сталі, температурою і часом аустенізації, тобто розміром зерна аустеніту і його однорідністю.

Таблиця 16.1. Твердість напівмартенситної зони залежно від концентрації вуглецю в сталі

Концентрація вуглецю, %	Твердість сталі HRC
	вуглецевої	легованої
0,08 - 0,17		25
0,18 - 0,22	25	30
0,23 - 0,27	30	35
0,28 - 0,32	35	40
0,33 - 0,42	40	45
0,43 - 0,52	45	50
0,53 - 0,62	50	55

Чим більша швидкість охолодження і нижча критична швидкість гартування певної сталі, тим на більшу глибину прогартується виріб. Оскільки прогартовуваність залежить від критичної швидкості гартування, то, очевидно, що на глибину прогартовуваності суттєво впливають такі чинники:

а) хімічний склад сталі (вуглець і легувальні елементи);

б) величина зерна аустеніту і його однорідність;

в) розмір і форма загартованого виробу;

г) охолоджувальна здатність гартувального середовища.

Залежність критичної швидкості гартування (V_кр) від концентрації вуглецю в сталі показано на рис. 16.1. Як видно, з підвищенням концентрації вуглецю в доевтектоїдних сталях критична швидкість зменшується, отже, прогартовуваність зростає.

У

Рис. 16.1. Критична швидкість гартування вуглецевих сталей в залежності від концентрації вуглецю (за Е. Гудремоном)

заевтектоїдних сталях підвищення концентрації вуглецю призводить до зменшення глибини загартованого шару, що пояснюється так. Заевтектоїдні сталі нагрівають для гартування до температур, що відповідають аустенітно-цементитній області діаграми стану залізо-цементит, тобто вище температури лінії РSK на 30…50°С (рис. 10.1). Із ростом концентрації вуглецю в сталі збільшується кількість цементиту в аустенітній основі. Частинки цементиту при охолодженні виконують роль центрів кристалізації, знижуючи стійкість переохолодженого аустеніту.

Аналогічним чином зменшується прогартовуваність при наявності всередині зерен аустеніту і по їх границях карбідів таких елементів, як титан, молібден, ванадій, вольфрам. Для повного або часткового усунення частинок карбідів можна підвищити температуру гартування і час витримки сталі. Наприклад, вуглецеву заевтектоїдну сталь нагрівають не до нормальних температур гартування (вище А_С1), а в аустенітну область (вище лінії SE); леговані конструкційні – вище 820…900°С. За рахунок розчинення карбідів аустеніт збагачується вуглецем і легувальними елементами. При цьому він стає більш однорідним. Усе це збільшує стійкість переохолодженого аустеніту. Одночасно при високих температурах росте зерно аустеніту, що призводить до зменшення протяжності міжзеренних границь, які є місцями, де переважно розпочинається перетворення.

Однак збільшувати прогартовуваність таким шляхом не рекомендується, оскільки при гартуванні з високої температури виникає небезпека виникнення гартувальних тріщин і погіршуються деякі властивості сталі.

Всі легувальні елементи, крім кобальту, розчиняючись в аустеніті, збільшують його стійкість при переохолодженні; отже, сприяють підвищенню прогартовуваності.

Значно підвищують прогартовуваність хром, нікель, марганець. Введення в сталь одночасно декількох легувальних елементів (хром і нікель; хром, нікель і молібден тощо) призводить до ще більшого зниження критичної швидкості гартування і різкого підвищення прогартовуваності конструкційної сталі. Найбільш ефективні в цьому відношенні невеликі добавки бору (0,002…0,003% до ваги сталі), що вводяться в добре розкислену сталь.

Правильний добір легувальних добавок дозволяє досягнути в масивних перерізах деталей наскрізну прогартовуваність. Вироби з легованих сталей можна загартовувати в маслі, а не у воді. При гартуванні в маслі зменшуються внутрішні гартувальні напруження, що призводять до спотворення деталей, і зменшується імовірність утворення гартувальних тріщин.

Існує декілька методів визначення прогартовуваності. Але основним з них є метод торцевого гартування.

Цей метод застосовується для масового контролю всіх вуглецевих і легованих сталей мартенситного класу (тобто таких, що загартовуються навіть при охолодженні на повітрі). Суть його полягає в тому, що із досліджуваної сталі виготовляють стандартний зразок (рис. 17.2) діаметром 25 мм і висотою 100 мм, на одному кінці якого є головка для опори в пристрої при гартуванні.

Поверхня зразка (особливо торець, охолоджуваний водою) повинна чисто оброблятися різальним інструментом. Умови нагрівання, охолодження і вихідна структура зразка передбачаються ГОСТ 5657-51. При нагріванні зразка не допускається зневуглецювання або окислення охолоджуваного торця. Зразок перед випробуванням повинен бути нормалізований. Температура нагрівання зразків із вуглецевих сталей вибирається за діаграмою Fe-Fe₃C залежно від концентрації вуглецю в ній, а для зразків із легованих сталей – за спеціальною таблицею вказаного ГОСТу. Витримка при вибраній температурі – 30 хвилин. Атмосфера в печі повинна бути нейтральною, в протилежному випадку зразок розміщують у стальному циліндричному стакані, ставлять торцем на графітну або вугільну підставку і закривають кришкою (рис. 16.3).

Торцеве гартування проводиться на спеціальному пристрої (рис. 16.4), що повинен бути розміщений недалеко від печі, щоб можна було швидко перенести зразок із печі в пристрій. Перед випробуванням на холодному зразку регулюють точність попадання струмини води в торець і вільну висоту стовпа води, яка повинна бути 65 мм. Діаметр сопла (наконечника від підвідної труби) рівний 12,5 мм, а відстань від сопла до торця зразка також 12,5 мм. Після регулювання, перед розміщенням нагрітого зразка в пристрої, останній потрібно просушити. Нагрітий до температури гартування зразок швидко встановлюється в пристрої і відкривається кран. Струмина води повинна омивати тільки робочий торець. Температура води 10…25°С. Зразок витримують над струминою води до повного охолодження (не менше 10 хв.).

Швидкість охолодження торця найбільша і відповідає швидкості охолодження поверхні виробів у воді. В міру віддалення від торця швидкість охолодження поступово зменшується. Верхні частини зразка охолоджуються зі швидкістю, що відповідає швидкості охолодження поверхні виробів на повітрі. Отже, в одному зразку можна знайти певні перерізи, які охолоджуються з будь-якою швидкістю, що цікавить дослідника.

Рис. 16.2. Стандартний зразок для дослідження на прогартовуваність: 1  охолоджуваний торець; 2 – головка	Рис. 16.3. Стальний стакан для попередження окислення зразка і його зневуглецювання при нагріванні в печі без контролюючої атмосфери: 1 – стакан; 2 – кришка; 3 – зразок; 4 – графітова підставка	Рис. 16.4. Схема установки для торцевого гартування: 1 зрівнювальна трубка для створення постійного напору; 2 – напірний бачок; 3 – штатив; 4 – зразок; 5 – сопло; 6 – зливна коробка

Після гартування на зразку з двох протилежних сторін по твірній циліндра шліфуються площини шириною 5…10 мм. При шліфуванні потрібно стежити, щоб зразок не нагрівався. На відшліфованих поверхнях вимірюється твердість за Роквеллом (шкала С) через кожні 1,5 мм від загартованого торця (16 замірів), а потім через 3 мм закінчують випробування, коли на певній відстані від торця твердість не змінюється. Після вимірювання твердості зразка на одній площині його повертають і вимірюють твердість на другій площині. Потім для кожної пари точок, що знаходяться на однаковій відстані від торця, вираховують середнє арифметичне значення твердості і записують у табл. 16.2.

Таблиця 16.2. Результати вимірювання твердості вздовж зразка

№ вимірювання	Відстань від загартованого торця	Твердість HRC
		1-а площина	2-а площина	Середнє значення

Для графічного зображення одержані експериментальні дані наносять на сітку координат, де на осі ординат відкладають твердість HRC, а на осі абсцис – відстань від загартованого торця в мм. Нанесені точки з’єднують і отримують криву прогартовуваності (рис. 16.5).

Відстань від торця до напівмартенситної зони називається характеристичною відстанню і визначає прогартовуваність сталі (ℓ₁ і ℓ₂ на рис. 16.5). Чим більша характеристична відстань, тим краща прогартовуваність. Із аналізу рис. 18.5 видно, що сталь 1 має кращу прогартовуваність, ніж сталь 2, оскільки ℓ₁ > ℓ₂.

З а характеристичною відстанню і за допомогою раніше побудованих номограм можна визначити критичні діаметри для деталей різної форми і розмірів, охолоджуваних при гартуванні зануренням у різні рідини. Одна із таких номограм, що розроблена М.Є. Блантером, подано (в спрощеному вигляді) на рис. 16.6.

Рис. 16.5. Розподіл твердості за довжиною зразка після торцевого гартування для сталей з різною прогартовуваністю

Для визначення критичного діаметра за цією номограмою користуються шкалою, розміщеною у верхній частині номограми, яка характеризує відстань від загартованого торця до напівмартенситної зони в мм. На цій шкалі потрібно знайти характеристичну відстань, визначену дослідним шляхом. Від знайденого значення опускається перпендикуляр до перетину з прямою «Ідеальне охолодження». Від точки перетину проводиться горизонталь вліво до лінії, що відповідає охолоджувальному середовищу (вода, мінеральне масло, повітря). Одержана точка «а» (див. рис. 17.6, на прямій «Вода 20°С», «в»  «Мінеральне масло», «с» – «Повітря») проектується на горизонтальну вісь, розміщену в нижній частині номограми. Вісь має три шкали, за якими знаходиться розмір перерізу D_кр різної форми, що прогартовується наскрізь при охолодженні у вказаних середовищах.

За поданою номограмою можна визначити швидкість охолодження серцевини виробу шляхом продовження горизонталі від прямої «Ідеальне охолодження» до лівої вертикальної осі «Швидкість охолодження».

Нарешті, за номограмою визначається так званий «Ідеальний критичний діаметр» D. Це максимальний розмір перерізу виробу, який прогартовується наскрізь в ідеальному охолоджувачі, де охолодження з поверхні відбувається із безмежно великою швидкістю.

Поняття „Ідеальний критичний діаметр” уводиться для характеристики прогартовуваності сталі незалежно від способу охолодження і геометрії виробу.