Загартуванням називають вид термічної обробки металів, який полягає в нагріванні вище критичної температури з наступним різким охолодженням (зазвичай) в рідких середовищах. Критичною називають температуру, при якій відбувається зміна типу кристалічної решітки, тобто здійснюється поліморфне перетворення. -вуглець». Після загартування збільшується твердість і міцність сталі, але при цьому підвищуються внутрішні напруги і зростає крихкість, що провокує руйнування матеріалу при різких механічних впливах. Увага! Деякі вироби загартуються частково, наприклад, це може бути тільки ріжуча кромка інструменту або холодної зброї. металургії означає "мартенсит". Визначення! Мартенсит – основна складова структури сталі після загартування. Для зменшення внутрішніх напруг та зростання пластичності здійснюють наступний етап термообробки – відпустка. При відпустці відбувається деяке зниження твердості та міцності. Режим загартування визначається температурою, часом витримки, швидкістю охолодження, використовуваною середовищем, що охолоджує. Від правильного вибору середовища, що охолоджує, багато в чому залежить кінцевий результат процесу. Увага! Використовувати цей спосіб охолодження деталей складної конфігурації не рекомендується через ризик появи тріщин. Увага! Для роботи з виробами з вуглецевих сталей зі складним хімічним складом використовують комбіноване охолодження. Воно складається з двох етапів. дуже швидко. Процедурам загартування та відпустки не піддається прокат та вироби з нього, виготовлені з маловуглецевих сталей типу 10, 20, 25. Цей вид термообробки ефективний для вуглецевих сталей (45, 50) та інструментальних, у яких в результаті твердість збільшується втричі-вчетверо. Таблиця режимів загартування та областей застосування для деяких видів інструментальних сталей Для якого інструменту використовується Температура загартування, °C Температура відпустки, °C Охолоджувальне середовище для загартування Охолоджувальне середовище для відпустки Молотки, кувалди, теслярський інструмент Одним з найбільш поширених способів термообробки металів є загартування сталі. Саме за допомогою гартування формуються необхідні характеристики готового виробу, а її неправильне виконання може призвести до зайвої м'якості металу (непрожарювання) або його надмірної крихкості (перекалювання). У нашій статті мова піде про те, що таке правильне загартування і що потрібно зробити, щоб його виконати. Про те, що вплив високої температури на метал може змінити його структуру та властивості, знали ще давні ковалі та активно використовували це на практиці. Надалі вже науково було встановлено, що загартування виробів, виготовлених зі сталі, що передбачає нагрівання та подальше охолодження металу, дозволяє значно покращувати механічні характеристики готових виробів, значно збільшувати термін їхньої служби і навіть у результаті зменшувати їхню вагу за рахунок збільшення міцності деталі.Що примітно, загартування деталей з недорогих сортів сталі дозволяє надати їм необхідних характеристик і успішно використовувати замість дорогих сплавів. Сенс процесу, який називається загартування виробів зі сталевих сплавів, полягає в нагріванні металу до критичної температури та його подальшому охолодженні. Існують різні види загартування і наступної відпустки, що відрізняються режимами проведення, які визначають кінцевий результат. Найбільш важливим параметром при загартуванні металів є температура нагріву, при досягненні якої відбувається перебудова атомної решітки. Після виконання гарту підвищується як твердість, так і крихкість сталі, а на її поверхні, що втратила значну кількість вуглецю, з'являється шар окалини. Діаграма станів залізо-вуглець При виконанні загартування виробів із сталевих сплавів, дуже важливо забезпечити задану швидкість охолодження деталі, інакше вже перебудована атомна структура металу може перейти в проміжний стан.Тим часом занадто швидке охолодження теж небажане, оскільки воно може призвести до появи на деталі тріщин або до її деформації. Щоб уникнути утворення таких дефектів, швидкість охолодження після падіння температури нагрітого металу до 200 градусів Цельсія, дещо уповільнюють. Для нагрівання деталей, виготовлених із вуглецевих сталей, використовують камерні печі, які можуть прогріватись до 800 градусів Цельсія. Для загартування окремих марок сталі критична температура може становити 1250-1300 градусів Цельсія, тому деталі їх нагріваються в печах іншого типу. Зручність гарту сталей таких марок полягає в тому, що вироби з них не схильні до розтріскування при охолодженні, що виключає необхідність їх попереднього прогріву.Навіщо потрібна і як проводиться загартування сталі?
Властивості стали після загартування
Технологія загартування
Способи загартування стали:
Типи охолоджувальних середовищ
Для поверхневого загартування та роботи з виробами простої конфігурації, призначеними для подальшої обробки, застосовується переважно вода.
Які сталі можна загартовувати?
Особливості гарту різних видів сталі – способи, температура, інші нюанси
Яким буває загартування металу
Дуже відповідально слід підходити до загартування деталей складної конфігурації, що мають тонкі грані та різкі переходи. Щоб виключити розтріскування і жолоблення таких деталей у процесі нагрівання, його слід проводити у два етапи. На першому етапі таку деталь попередньо прогрівають до 500 градусів Цельсія і потім доводять температуру до критичного значення.
Нагрів стали при загартуванні струмами високої частоти
Для якісного загартування сталей важливо забезпечити як рівень нагріву, а й його рівномірність. Якщо деталь відрізняється масивністю чи складною конфігурацією, забезпечити рівномірність її нагрівання можна лише кілька підходів. У таких випадках нагрівання проводиться з двома витримками, які необхідні для того, щоб досягнута температура рівномірно розподілилася по всьому об'єму деталі.Збільшується сумарний час нагрівання і в тому випадку, якщо в піч одночасно поміщаються кілька деталей.
Як уникнути утворення окалини та обезуглерожування при загартуванні
Багато деталей зі сталі проходять загартування вже після того, як було виконано їх фінішну обробку. У таких випадках неприпустимо, щоб поверхня деталей була обезуглерожена або утворилася на ній окалина. Існують способи загартування виробів із сталі, які дозволяють уникнути таких проблем. Загартування, що виконується в середовищі захисного газу, що нагнітається в порожнину нагрівальної печі, може бути віднесена до найбільш передового з таких способів. Слід пам'ятати, що використовують такий метод лише тому випадку, якщо піч для нагріву повністю герметична.
На фото видно момент гідрозбиву на стані гарячої прокатки — видалення окалини.
Простішим способом, що дозволяє уникнути обезуглерожування поверхні металу при загартуванні, є застосування чавунної стружки та відпрацьованого карбюризатора. Для того щоб захистити поверхню деталі при нагріванні, її поміщають у спеціальну ємність, яку попередньо засипані ці компоненти. Для запобігання потраплянню в таку ємність навколишнього повітря, яке може спричинити процеси окислення, зовні її ретельно обмазують глиною.
Якщо після гарту металу його охолоджують не в маслі, а в соляній ванні, її слід регулярно розкислювати (не менше двох разів за зміну), щоб уникнути обезуглерожування поверхні деталі та появи на ній окислу. Для розкислення соляних ванн можуть бути використані борна кислота, сіль бура або деревне вугілля.Останній зазвичай поміщають у спеціальну склянку з кришкою, у стінках якої є безліч отворів. Опускати таку склянку в соляну ванну слід дуже обережно, тому що в цей момент на її поверхні спалахує полум'я, яке згасає через деякий час.
Існує простий спосіб, що дозволяє перевірити якість розкислення соляної ванни. Для цього в такій ванні кілька хвилин (3-5) нагрівають звичайне лезо з нержавіючої сталі. Після соляної ванни лезо поміщають у воду для охолодження. Якщо після такої процедури лезо не гнеться, а ламається, то розкислення ванни пройшло успішно.
Об'ємне загартування товстостінних заготовок
Охолодження стали при загартуванні
Основу більшості охолоджуючих рідин, що використовуються при загартуванні виробів зі сталей, становить вода. При цьому важливо, щоб така вода не містила у своєму складі домішок солей та миючих засобів, які можуть суттєво вплинути на швидкість охолодження. Місткість, в якій міститься вода для гартування виробів з металу, не рекомендується використовувати з іншою метою. Важливо також враховувати і те, що для охолодження металу в процесі загартування не можна використовувати проточну воду. Оптимальною для охолоджуючої рідини вважається температура 30 градусів Цельсія.
Загартування виробів із сталі з використанням для їх охолодження звичайної води має ряд істотних недоліків. Найголовніший з них - це розтріскування та викривлення деталей після їх охолодження. Як правило, таким способом охолодження користуються, коли виконується цементування металу, поверхневе загартування сталі або термічна обробка деталей простої конфігурації, які будуть піддаватися фінішній обробці.
Для виробів складної форми, виготовлених з конструкційних сталей, застосовують інший тип охолоджувальної рідини - 50% розчин каустичної соди, нагрітий до температури 60 градусів Цельсія. Після охолодження в такому розчині загартована сталь набуває світлого відтінку.
Дуже важливо при роботі з каустичною содою дотримуватися техніки безпеки, обов'язково використовувати витяжку, що розміщується над ванною. При опусканні розжареної деталі розчин утворюються пари, дуже шкідливі здоров'ю людини.
Загартування стали в муфельній печі
Кращою охолоджувальною рідиною для тонкостінних деталей з вуглецевих сталей та виробів, виконаних з легованих сплавів, є мінеральні олії, які забезпечують постійну (ізотермічну) температуру охолодження незалежно від умов навколишнього середовища. Головне, чого слід уникати при використанні такої технічної рідини, - це потрапляння до неї води, що може призвести до розтріскування деталей у процесі їх охолодження. Однак, якщо в таку охолоджувальну рідину все ж таки потрапила вода, її можна легко видалити з неї, нагріваючи масло до температури, що перевищує температуру кипіння води.
У загартування сталі з використанням олії як охолоджувальна рідина є ряд істотних недоліків, про які обов'язково варто знати. При контакті олії з розпеченою деталлю виділяються пари, шкідливі для людського здоров'я, крім того, олія в цей момент може спалахнути. У масляної ванни є і така властивість: після її використання на деталі залишається наліт, а рідина, що охолоджує, з часом втрачає свою ефективність.
Всі ці фактори слід враховувати при виконанні загартування металів у масляному середовищі та вживати наступних заходів безпеки:
- занурювати деталі у масляну ванну за допомогою щипців із довгими ручками;
- усі роботи виконувати у спеціальній масці із загартованого скла та у рукавичках, виготовлених з товстої тканини з вогнетривкими властивостями або з грубої шкіри;
- надійно захищати плечі, шию, груди робочим одягом, виготовленим з товстої вогнетривкої тканини.
Охолодження у масляній ванні
Для гартування сталей окремих марок охолодження здійснюють за допомогою потоку повітря, створюваного спеціальним компресором. Дуже важливо, щоб охолоджувальне повітря було абсолютно сухим, так як волога, що міститься в ньому, може викликати розтріскування поверхні металу.
Існують способи загартування сталі, у яких використовують комбіноване охолодження. До них звертаються для охолодження деталей із вуглецевих сталей, що мають складний хімічний склад. Суть таких способів загартування полягає в тому, що спочатку нагріту деталь поміщають у воду, де за короткий час (кілька секунд) її температура знижується до 200 градусів, подальше охолодження деталі проводять вже в масляній ванні, куди її слід перемістити дуже оперативно.
Виконання загартування та відпуску сталевих деталей у домашніх умовах
Термічна обробка металевих виробів, у тому числі поверхневе загартування сталі, не тільки збільшує твердість і міцність сплаву, а й значно підвищує внутрішні напруги в його структурі. Щоб зняти цю напругу, здатну в процесі експлуатації деталі призвести до її поломки, необхідно відпустити виріб зі сталі.
Слід пам'ятати, що така технологічна операція призводить до деякому зниження твердості сталі, але збільшує її пластичність. Для виконання відпустки, суть якої полягає у поступовому зменшенні температури нагрітої деталі та її витримуванні при певному температурному режимі, використовуються печі, соляні та масляні ванни.
Загартування та відпустка стали в домашніх умовах
Температури, у яких виконується відпустка, відрізняються різних сортів стали. Так, відпустка швидкорізальних сплавів проводиться при температурі 540 градусів Цельсія, а для сталей з твердістю на рівні HRC 59-60 достатньо 150 градусів. Що характерно, при відпуску швидкорізальних сплавів їх твердість навіть зростає, а в другому її рівень знижується, але значно підвищується показник пластичності.
Загартування та відпуск виробів зі сталі, у тому числі і нержавіючих сортів, цілком допустиме (і, більше того, часто практикується) і в домашніх умовах, якщо в цьому виникла потреба. У таких випадках для нагрівання виробів із сталі можна використовувати електроплити, духовки та навіть розпечений пісок. Температури, до яких слід нагрівати сталеві вироби у таких випадках, можна підібрати за спеціальними таблицями. Перед гартуванням або відпусткою сталевих виробів, їх необхідно ретельно очистити, на їх поверхні не повинно бути бруду, слідів олії та іржі.
Після очищення виріб зі сталі слід нагріти так, щоб він рівномірно розжарився до червоного. Для того, щоб розжарити його до такого стану, необхідно нагрівати кілька підходів.Після того, як необхідний стан досягнуто, виріб, що нагрівається, слід охолодити в маслі, а потім відразу помістити в духовку, попередньо розігріту до 200 градусів Цельсія. Потім необхідно поступово знизити температуру в духовці, довівши її до позначки 80 градусів Цельсія.
Цей процес займає зазвичай годину. Подальше охолодження слід проводити на відкритому повітрі, виняток становлять лише вироби з хромонікелевих сталей, зниження температури яких використовуються масляні ванни. Зумовлено це тим, що сталі таких марок при повільному охолодженні можуть набути так званої відпускної крихкості.
Все, що потрібно знати про загартування сталі
Організовувати металообробне або машинобудівне виробництво, не з'ясувавши все, що потрібно знати про загартування сталі, про режими та структуру загартованої сталі, дуже необачно. Ряду людей буде цікаво з'ясувати, як гартувати її в домашніх умовах. Також доведеться розібратися з температурою та видами загартування, із гартуванням сталей 20, 45 та інших марок.
Які сталі підлягають гартуванню?
Незважаючи на важливість цього методу обробки, він може бути застосований не до всіх сплавів заліза з вуглецем. Можливість такої маніпуляції фахівці називають гартуванням. Встановлено, що загартувати та відпустити можна тільки такий метал (прокат), який містить мало вуглецю. Сталь 20, а також сплав 10 і 25 не загартовують. А ось вуглецевий метал цілком може бути оброблений таким чином.
Йдеться про сталь:
Властивості загартованих матеріалів
Правильне гартування забезпечує такі характеристики металу, як:
- - підвищена твердість на поверхні;
- нарощування сумарної міцності;
- мінімізація пластичності до виправданих технічними вимогами показників;
- скорочення маси металургійної продукції за підтримки вихідної міцності та твердості.
У процесі обробки змінюється структура сталі, що гартується. При цьому відбувається низка фазових змін. При критичній температурі, яка дорівнює 723 градусам, метал ще твердий, але в ньому вже розгортається розпад цементиту. Замість нього поступово з'являється аустеніт. Якщо далі метал охолоджувати плавно, аустеніт розпадається, і ефект від загартовування, по суті, пропадає.
Але ось при швидкому остудженні розпад не відбувається, і сталь набуває тих самих характеристик, які так потрібні замовникам. Загартовувана до мартенситного стану сталь виявляється найтвердіша. Це дозволяє використовувати готовий продукт у різальних інструментах. Загартування на троостит дозволяє збалансувати твердість та пружні показники, що цінно в ударному інструменті та пружинних амортизаторах. Якщо сталь загартована до сорбітного стану, вона виявиться:
- пружною;
- в'язкою;
- стійко переносить зношувальні дії.
Види
В одному середовищі
Такий спосіб зовні простий. Деталь прогрівають до заданої температури. Потім її занурюють у рідину і тримають там, доки вона не досягне повного охолодження. Вуглецеву та малолеговану сталь прийнято остуджувати у технічній воді. Легований метал зазвичай гартують у маслі. Технологи прагнуть однакової міцності заготівлі по всій поверхні. Це досягається за рахунок відносного руху конструкції у тому середовищі, куди вона вміщена.
При механізованій закладці таке переміщення забезпечується циркуляцією. При ручній обробці доведеться пересувати заготівлю.Темп переміщення та інші нюанси маніпуляції підбираються таким чином, щоб матеріал не піддавався жолобленню.
Описувана методика цінна для легованої сталі, що остуджується починаючи з високої температури.
Ступінчаста
У цьому випадку метал також прогрівають до загартованої температури. Але далі вже починаються відмінності – охолодження ведеться у відносно гарячому середовищі, при 180-250 градусах найчастіше. Прагнуть при цьому, щоб прогрів був трохи сильнішим, ніж потрібно для мартенситного перетворення. У такій ситуації розігрів поверхні деталі та охолоджувальної речовини швидко вирівнюється. Якщо охолодження продовжується, з'являється вже мартенсит.
Перетворення йде всією масою заготовок синхронно. Як наслідок, небезпека появи напруг зводиться до мінімуму. Подальше охолодження можна робити вже навіть просто на повітрі. Мінусом ступінчастої методики виявляється її явна нездатність для великих конструкцій. Для них була б занадто довга витримка, що створює небезпеку небажаних структурних змін.
Ізотермічна
Методично такий підхід мало відрізняється від ступінчастого загартовування. Мета - домогтися розпаду аустеніту та формування нижнього бейніту. Вуглецеві сталі загартують ізотермічно не дуже часто, тому що такий підхід дає мало переваг у порівнянні з іншими варіантами. А ось для легованого металу – це можливість досягти збалансованого рівня міцності та в'язкості. Межа витривалості у сталі виявиться в результаті вищою, ніж при обробці за мартенситним сценарієм.
Однак масове використання ізотермічного гарту затримується з кількох причин:
- необхідність використовувати дороге обладнання;
- підвищена тривалість та трудомісткість маніпуляцій (тобто зростання витрат виробництва);
- необхідність застосування високотоксичних середовищ, що гартують, — втім, ця проблема частково вирішується вертикальними елеваторними печами з інтенсивним провітрюванням гартової ємності.
З самовідпусткою
Після прогріву за такого підходу конструкції поміщають в охолоджувальне середовище. Там їх треба тримати до неповного охолодження. Коли заготовка вийнята, зовнішні шари знову починають підвищувати температуру. Необхідне тепло надходить із внутрішньої частини деталі. Такий режим і називають самовідпусткою. До нього вдаються, якщо треба забезпечити одночасно підвищену твердість поверхневого шару та значну в'язкість серцевини.
Подібне поєднання властивостей вкрай цінне для молотків, зубил та інших інструментів, які роблять ударну обробку. Загартування із самовідпусткою успішно проводиться навіть в умовах сучасного потокового виробництва. Нерідко вона поєднується із місцевою термообробкою. Тривалістю самовідпустки виступає проміжок, що розділяє зупинку гартувального зниження температури та початок повторного охолодження.
Світла
Технічна література такий термін не вживає, але знати, що за метод, дуже важливо. Суть у тому, що загартовування звичайного металу супроводжується потемнінням. А ось леговані сталі у вакуумному чи інертному середовищі при цьому забарвлення не змінюють. Очевидно, що такі методи захисту металу дуже дорогі та трудомісткі. До них вдаються тільки при масовому випуску однорідних виробів, коли працює ефект масштабу та витрати розмазуються по всіх екземплярах.
Для роботи використовують вертикальні печі. Нагрівання заготовки відбувається в індукторі. Звідти вона переміщається у ванну із спеціальними солями або селітрою.Весь обсяг установки має бути повністю герметичний. Відкачування повітря проводиться після завершення кожного циклу.
Поверхнева
Поверхневе загартування, як випливає вже з назви, покликане зміцнити зовнішні шари металу. Для цієї мети використовують ТВЧ (струми високої частоти), що справляють ефект індукційного нагрівання.. Найчастіше до такої методики вдаються при обробці вуглецевих сталей. Температура має бути вищою, ніж при традиційній об'ємній методиці загартовування. У деяких випадках вдаються до газополум'яного або навіть лазерного розігріву сплаву - вони дозволяють відповідно зменшувати витрати і підвищувати точність маніпуляцій.
Необхідне обладнання
Про деякі його різновиди — вертикальні печі — вже йшлося. Однак потрібні часом інші пристосування, технічні системи. Крім печей, обов'язково знадобиться спеціальна гартована ванна. Вона оснащується таким чином, щоб можна було постійно контролювати теплові режими та точно оцінювати їхнє дотримання. Конструктивна схема ванн практично не відрізняється у різних фірм, здебільшого різниця стосується лише габаритів.
Функціональний відсік ванни переважно виконується у прямокутній формі, але можуть зустрітися і циліндричні моделі. Товщина варіюється з урахуванням запланованої найвищої тривалості обробки. Важливу роль відіграє вентиляційний контур, без якого неможливо видалити токсичні речовини. Завдяки теплообміннику виключається хаотична зміна температури рідини для загартовування та підтримується стабільний перебіг усього процесу. Теплообмінник може примусово обдуватися вентилятором, проте іноді відведення від нього теплоти ведуть за допомогою циркуляції, підтримуваної компресором.
Загартування струмами високої частоти передбачає використання просунутої індукційної машини. Індуктор є котушкою, що обвивається мідною трубкою. Геометрія індуктора визначається лише конфігурацією та габаритами деталі. Передбачається обертання заготівлі в центрах, що потребує наявності як затискачів, так і двигуна, та контролюючого процесу механізму.
Зрозуміло, незалежно від способу гарту доведеться постійно вести термометрію віддаленими засобами спостереження.
Температура
Вибір режимів і ступеня нагріву багато в чому індивідуальний, але це не означає, що всі вимоги можна ігнорувати. Найчастіше мається на увазі початковий прогрів сталі до аустенітного стану. Щоб гарантовано, незважаючи на ймовірні домішки, зробити відповідне перетворення, потрібен нагрівання на 30-50 градусів вище за розрахункову точку. Перегрів значно більше Ac3 також недоцільний, оскільки розростання аустенітних зерен веде до крихкості матеріалу. Інструментальні вуглецеві стали доводити до аустенітної фази немає сенсу і навіть шкідливо.
Легований метал гартують знову ж таки з огляду на критичні точки. Однак велика кількість компонентів, що поліпшують, сильно ускладнить відбір найкращого робочого режиму. Якщо легована сталь містить багато карбідів, її треба прогрівати суттєво вище за критичні точки, іноді до 1000 градусів і більше. Тільки при розплавленні карбідів і переході ув'язнених до них легуючих добавок в аустеніт можна отримати хороший результат. Температура при неповному загартуванні становить таку величину, при якій зберігається надлишковий цементит. Цей режим показаний для заевтектоїдних сталей, але може використовуватися і для інших сплавів.
Як гартувати в домашніх умовах?
Технологія в цьому випадку істотно не відрізняється від тієї, що практикується на великих заводах. Так само треба розігріти метал, а потім охолодити. Але обмежене обладнання, навіть у просунутих домашніх майстернях, не дозволяє відтворити промислові методики точнісінько. Процес у будь-якому випадку повинен відбуватися рівномірно і плавно. На поверхні не можна допускати появи чорних або синіх плям. при зануренні предмета в масляну ванну не перевищує 3 секунди, але цю процедуру проводять багаторазово і швидко. Судити про температуру зразка доводиться за фарбуванням поверхні або за ступенем втечі.
Відкрите полум'я – як багаття, так і пальники – дозволяє прогріти лише відносно невеликі металеві вироби.Мінус відкритого вогню полягає ще і в небезпеці обезуглероживания поверхні. підходящої величини. Охолодження металу в домашніх умовах можливе за допомогою води і повітря, водних розчинів і мінеральної олії.
Конкретні параметри та режими підбирають за параметрами певного металу. Виготовивши імпровізовану камеру, можна буде підвищити температуру до 1200 градусів, що гарантує обробку легованого металу.