Vкрит.- критична швидкість гартування

Рисунок 15 – Криві охолоджування, які відповідають різним способам

гартування

Напруги при гартуванні сталі виникають в результаті нерівномірного охолоджування поверхні і центральних зон деталі, а також через збільшення

об'єму при мартенситному перетворенні і неодночасності протікання його за перетином деталі. У першому випадку напруги класифікуються як теплові, а в другому – як структурні.

На початку охолоджування поверхневі шари унаслідок зменшення об'єму стискаються, чому протидіють ще неохолоджені внутрішні шари. Це викликає утворення в поверхневих шарах напруг розтягування, а у внутрішніх – напруг стиснення. При подальшому охолоджуванні напруги почнуть зменшуватися, і в деякий момент відбудеться зміна знаку напруг на поверхні і в центрі. Після остаточного охолоджування на поверхні утворюються залишкові напруги стиснення, а в серцевині – напруги розтягування. Поява залишкових напруг є результатом того, що напруги викликають не тільки пружну, але неодночасну і неоднакову пластичну деформацію шарів за перетином деталі.

Структурні напруги утворюються за зворотною схемою. На початку охолоджування в результаті мартенситного перетворення поверхневі шари розширяються, чому протидіють внутрішні шари, в яких ще не відбувалося структурних перетворень. Це приводить до утворення на поверхні стискуючих, а в центрі – розтягуючих напруг. При подальшому охолоджуванні знак напруг на поверхні і в центральних зонах змінюється, і після остаточного охолодження на поверхні будуть залишкові напруги розтягування, а в серцевині – напруги стиснення.

При гартуванні одночасно виникають як теплові, так і структурні напруги, і залежно від їх співвідношення можуть утворюватися різні епюри сумарних напруг. Найбільш небезпечними є розтягуючі напруги на поверхні, які сприяють утворенню тріщин і знижують опір втомному руйнуванню сталі.

Розтягуючі напруги виникають, в основному, за рахунок появи структурних напруг, величина яких тим більше, чим вища температура гартування та інтенсивніше охолоджування в інтервалі мартенситного перетворення М_п…М_к,. Для зменшення структурних напруг необхідно знижувати швидкість охолоджування нижче температури початку мартенситного перетворення.

Як гартівні середовища для вуглецевих сталей, що мають високу критичну швидкість гартування, застосовуються вода і різні водні розчини, а для легованих сталей, що мають невелику критичну швидкість охолоджування, – масло, водоповітряні суміші та т. п.

Вода, як гартівне середовище, має велику швидкість охолоджування в перлітному інтервалі, але при цьому і високу швидкість охолоджування при температурах утворення мартенситу, що може призводити до утворення тріщин і деформації загартованих виробів (рис.15). Окрім цього, охолоджуюча здатність води різко знижується при підвищенні її температури.

При гартуванні в мастилі охолоджування в мартенситному інтервалі здійснюється з невисокою швидкістю, але в інтервалі перлітного перетворення інтенсивність охолоджування часто виявляється недостатньою для його запобігання (див.рис.  15).

Таким чином, в даний час немає гартівного середовища, яке б забезпечувало ідеальне охолоджування, і тому розроблені різні способи гартування, використовування яких дозволяє знизити рівень виникаючих напруг при забезпеченні необхідного структуроутворення.

Найпоширенішим способом є гартування в одному охолоджувачі, при якому деталь занурюють в гартівне середовище, де вона залишається до повного охолоджування. З метою зменшення внутрішніх напруг деталі перед зануренням в гартівну рідину якийсь час охолоджують на повітрі. Такий спосіб називається гартуванням з підстужуванням. При цьому необхідно, щоб температура деталі при підстужуванні не опускалася нижче А_r3 для доевтектоїдних сталей і нижче А_r1 – для заевтектоїдних.

При гартуванні в двох середовищах деталь спочатку охолоджують у воді до температури декілька вище М_п, а потім для остаточного охолоджування переносять в середовище з меншою охолоджуючою здатністю, при цьому зменшуються внутрішні напруги, пов'язані з перетворенням аустеніту на мартенсит.

При ступінчастому гартуванні деталь після нагріву охолоджується в гартівному середовищі, що має температуру декілька вищою за точку М_п, і втримується в ній до вирівнювання температури за всім перетином, але при цьому не повинне відбутися перетворення аустеніту на бейніт. Після цього настає остаточне охолоджування на повітрі, під час якого відбувається перетворення аустеніту на мартенсит. Проведення ступінчастого гартування дозволяє зменшити деформації, викривлення і небезпеку виникнення тріщин.

Ізотермічне гартування виконується так само, як і ступінчасте, але витримка при температурі декілька вище М_п збільшується для завершення перетворень аустеніту на бейніт. Даний спосіб гартування застосовується для легованих сталей, при цьому буде потрібен подальший відпуск, що є важливою позитивною рисою цього способу. Як охолоджуючі середовища при ступінчастому та ізотермічному гартуванні застосовують розплавлені солі (55% KNO₃ і 45%NaNO₃) або луги (20%NaOH і 80%KOH).

Гартування з самовідпуском застосовується в основному для інструменту (зубила, ковальський інструмент і т.  д.), коли для забезпечення його високої стійкості вимагається, щоб твердість поступово і рівномірно знижувалася від робочої до хвостової частини. Такий розподіл твердості можливий, якщо при гартуванні нагріту деталь робочою частиною занурюють у воду і виймають після короткочасної витримки. За рахунок тепла хвостової частини деталі її робоча частина нагрівається і відпускається. Температуру нагрівання визначають за кольорами тонких шарів оксидів які виникають на шліфованій поверхні. Колір шару залежить від його товщини, яка визначається температурою. При температурі 220^оС поверхонь набуває ясно-жовтого кольору, при 230^оС  жовтий, при 240^оС  темно-жовтий, при 250^оС  оранжевий, при 260^оС  коричневий, при 270^оС  червоний, при 280^оС  фіолетовий, при 300^оС  синій, при 320^оС  сірий. Цей давно відомий спосіб зараз стає все більш затребуваним, що пояснюється прагненням до енергозберігаючих технологій і можливостями попереднього моделювання гартівного процесу і його виконання в автоматичному режимі.

2.3.2.3 Обробка холодом

Якщо температура кінця мартенситного перетворення нижча 0^оС, то після гартування в структурі сталі міститься залишковий аустеніт. Його наявність знижує твердість сталі, а подальший розпад призводить до зміни форм і розмірів виробів. Чим нижче температура кінця мартенситного перетворення, тим більше залишкового аустеніту спостерігається в структурі загартованої сталі.

З метою зменшення кількості залишкового аустеніту сталь після гартування охолоджують до температур нижче 0^оС, внаслідок чого поновлюється мартенситне перетворення. Такий технологічний процес називається обробкою холодом,. Температурний режим обробки холодом визначається температурою кінця мартенситного перетворення. Оскільки перетворення відбувається тільки при охолоджуванні у області мартенситного перетворення. Глибше охолоджування недоцільне, оскільки не викличе додаткового перетворення.

Після гартування сталі витримка при кімнатній температурі приводить до стабілізації аустеніту і при подальшій обробці холодом не весь залишковий аустеніт перетворюватиметься на мартенсит. Тому обробку холодом рекомендується проводити негайно після гартування.

Обробка холодом доцільна для вуглецевих сталей із змістом вуглецю понад 0,6% і застосовується для стабілізації розмірів калібрів, кілець шарикопідшипників і інших особливо точних виробів, для отримання максимальної твердості інструменту і цементованих деталей, а також для підвищення магнітних характеристик сталевих магнітів.