Лабораторна робота № 9

Тема: Загартування сталі.

Мета роботи: Вивчити існуючі способи загартування сталі. Навчитися практично загартовувати сталь одним із способів.

Необхідні прилади, матеріали та інструменти:

1. Муфельна піч.

2. Ванна з охолоджувачами.

3. Зразки сталей.

4. Кільщі ковальські.

5. Твердоміри.

6. Діаграма стану залізо-цементит.

7. Шліфувальний папір різної зернистості.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Способи загартування сталі.

Загартуванням називається нагрівання сталі вище температури переходу структурних складових у твердий розчин – аустеніт, витримування при даній температурі з наступним швидким охолодженням.

Основною складовою частиною загартованої сталі є мартенсит (перенасичений твердий розчин вуглецю в Fe_α).

Мартенсит утворюється у результаті бездифузійного перетворення переохолодженого до 200 ºС аустеніту. Твердість мартенситу – 500-700 кг/мм². Він дуже крихкий і непластичний. Мартенсит має голкоподібну структуру.

Крім мартенситу структурними складовими загартованої сталі можуть бути сорбіт і троостіт.

Сорбіт - це дрібнодисперсна суміш фериту і цементиту, яка утворюється у результаті розпаду аустеніту, переохолодженого до 650 ºС. Твердість сорбіту – 250-300 кг/мм².

Троостіт - це також суміш фериту і цементиту, але більш дисперсна, ніж у сорбіті. Троостіт утворюється у результаті розпаду аустеніту, переохолодженого до 200-550 ºС. Твердість троостіту – 300-500 кг/мм².

Чим більша швидкість охолодження, тим більший ступінь переохолодження аустеніту, тим дрібніші продукти його розпаду і тим більша твердість сталі.

Процес ізотермічного розпаду аустеніту відображається у вигляді С – подібних кривих (рис. 9.1), які показують кількість аустеніту, що розпався у залежності від часу, який пройшов з початку перетворення при даній температурі.

Ліва крива відповідає початку, а права – завершенню розпаду аустеніту. Найменшу стійкість аустеніт у вуглецевій сталі має при 550-600 ºС.

Якщо аустеніт переохолодити до 700 ºС, то він буде перетворюватися протягом часу, який вимірюється відрізком температурної осі до точки δ₁. У точці δ₁ почнеться розпад аустеніту і буде продовжуватися до точки δ₂.

Рис. 9.1 Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту

Структура – перліт.

При переохолодженні аустеніту до 650 ºС стійкість його зменшується, розпад почнеться у точці δ₂ і завершиться у точціδ₃.

Продуктом розпаду буде – сорбіт.

При ізотермічному витримуванні при 650 ºС стійкість аустеніту мінімальна. Продуктом розпаду буде троостіт.

Перетворення при безперервному розпаді легко пов’язати з перетворенням при ізотермічному розпаді аустеніту шляхом накладання кривих при безперервному охолодженні на С – подібну діаграму.

Таким чином, основним фактором, який визначає структуру і властивості загартованої сталі є температура перетворення аустеніту.

Практика загартування сталі. Для того, щоб правильно загартувати сталь необхідно вірно вибрати відповідну температуру загартування, час витримування і умови охолодження.

Температура загартування залежить від хімічного складу сталі. Для доевтектоїдної сталі температура нагрівання повинна бути на 30-50 ºС вище критичної точки Ас₃, а для заевтектоїдної сталі – на 30-50 ºС критичної точки Ас₁(див. діаграму стану залізо-цементит лабораторна робота № 8). Швидкість нагрівання при загартуванні повинна бути максимальна, що забезпечить відсутність небезпечних термічних напружень, які викликані нерівномірним нагріванням виробу по перерізу.

Норми нагрівання під загартування для циліндричних виробів із середньо-вуглецевої сталі: до 800 ºС у полум’яній печі – 0,5 хв на 1 мм діаметру; до 800 ºС у соляній ванні – 0,25 хв на 1 мм діаметру; до 800 ºС у свинцевій ванні – 0,1 хв на 1 мм діаметру (додаток, табл. 3).

При нагріванні зразків квадратного перерізу цей час повинен бути збільшений у 1,5 раза, а при нагріванні пластин – 2 рази.

Охолоджувальні середовища.Швидкість охолодження сталі визначається одержанням потрібної структури.

Загартування на мартенсит потребує швидкого охолодження тільки в інтервалі температур 650-450 ºС. Швидкість охолодження нижче 400 ºС повинна бути невеликою з метою зменшення внутрішніх напружень.

Вода є найбільш розповсюдженим охолоджувачем. Основний її недолік – велика швидкість охолодження в інтервалі температур 300-200 ºС.

Досить розповсюдженим охолоджувачем також є мінеральне мастило. Вода використовується при загартуванні вуглецевих сталей, а масло – легованих та високовуглецевих сталей.

Способи загартування сталі:

1. Загартування в одному охолоджувачі.

2. Загартування перервне.

3. Загартування з підстужуванням.

4. Загартування з самовідпуском.

5. Ступеневе загартування.

6. Ізотермічне загартування.

7. Бездеформаційне загартування.

8. Поверхневе загартування.

При загартуванні в одному охолоджувачі виріб, нагрітий до певної температури, занурюють у загартовуючу рідину (воду або масло), де його залишають до повного охолодження. Цей спосіб використовується для загартування стальних деталей нескладної форми.

При перервному загартуванні спочатку виріб охолоджують швидко в одному середовищі, а потім в іншому – повільно. Цей спосіб використовується для загартування виробів із вуглецевих інструментальних сталей середніх і великих поперечних перерізів.

Якщо виріб перед опусканням в охолоджувач певний час витримують на повітрі, то таке загартування називається з підстужуванням. При підстужуванні температура виробу не повинна бути меншою критичної точки Ас₂(для евтектоїдних сталей).

Загартування з самовідпуском – це таке загартування, при якому охолоджується тільки робоча частина інструменту, а далі вона знову нагрівається до температури за рахунок тепла, яке віддасть їй та частина інструменту, яка не охолоджувалась. При цьому інструмент охолоджується на повітрі. Таке загартування, в основному, використовується для ударного інструменту (зубила та ін.).

За основу ступеневого загартування приймають С – подібну діаграму. Виріб після нагрівання до температури загартування, охолоджується у загартовуючому середовищі, температура якого вище точки Мн. Витримування у даному середовищі забезпечує загартовуючу температуру, але потрібно не перевищити час, який відповідає початку розпаду аустеніту для даної сталі. Потім відбувається повільне охолодження, при якому аустеніт перетворюється у мартенсит. Цей спосіб в основному використовують для інструменту діаметром 8-10 мм із вуглецевих і низьколегованих сталей.

При ізотермічному загартуванні виріб після нагрівання охолоджується у загартовуючому середовищі, температура якого 250-400 ºС, тривалість витримування визначається часом перетворення аустеніту при даній температурі. Після ізотермічного загартування сталь має структуру троостіту, набуває високої твердості та підвищену в’язкість.

Структурні напруження, які виникають у наслідок різниці питомих об’ємів відпаленої і загартованої структур можна регулювати бездеформаційним загартуванням.

Бездеформаційне загартування використовують для вимірювального інструменту – калібрів. Для кожної із марок сталей режим такого загартування різний. Наприклад, для сталі ХГ (Сr=1,3+1,5 %, Мn=0,4+0,7 %,С=1,3+1,6 %), нульову деформацію забезпечує режим: загартування при 890 ºС у селітрі з витримуванням 30 хвилин.

Для деталей, які працюють на тертя, висока твердість потрібна тільки на поверхні а серцевина повинна бути м’якою. Такі властивості досягаються за допомогою поверхневого загартування, при якому до температури загартування нагрівається тільки зовнішній шар деталі, який потім швидко охолоджується. Нагрівання поверхневого шару деталі можна провести шляхом високочастотного нагрівання газовим полум’ям і в електролітах.

Порядок виконання роботи.

1. Виміряти діаметр зразків, заклеймувати їх порядковим номером, записати марку сталі і визначити по ДСТУ вміст вуглецю у них.

2. Визначити по діаметрі “залізо-цементит” температуру нагрівання для загартування. Встановити час нагрівання і тривалість видержування зразків (див. Табл. 3, додаток).

3. Виміряти твердість зразків по Роквеллу. Одержанні числа твердості по Роквеллу перевести у числа твердості по Брінеллю. По співвідношенню σ_пч=0,136 НВ знайти границю міцності зразків для загартування.

4. У печах нагрітих до температури 630 і 800 ºС, кліщами завантажити по одному зразку, а у піч з температурою 730 ºС - два зразки. Три зразки загартувати у воді, а зразок, який залишився, нагрітий до температури 730 ºС загартувати у маслі. Вимкнути печі.

5. Витерти зразки на сухо, обидва торці зразків зачистити шліфувальним папером. Виміряти твердість HRC кожного зразка. Одержані значення занести у таблицю і перевести у НВ.

6. Побудувати до одержаних даних діаграми впливу режиму обробки (загартування) на твердість і міцність сталі.

7. Зробити висновки про вплив режиму загартування і охолоджуючої рідини на механічні властивості сталі. Одержані дані занести у таблицю 9.1.

Таблиця 9.1.

Марка сталі	Діаметр або товщина зразка, мм	Температура загартування, ºС	Час нагріва-ння, хв	.Охолоджуюче середовище	Границя міцності, σпр	Механічні властивості
						до загартування		після загартування
						HRC	HB	HRC	HB

Елементи навчально-дослідної роботи.

При виконанні лабораторної роботи студентам необхідно звернути увагу на проблеми дослідження загартування без поліморфних перетворень; дослідження загартування з поліморфними перетвореннями; дослідити область сталі діаграми стану “залізо-цементит”, температури, до яких проводиться нагрівання при різних видах загартування; характеристика індукційного (високочастотного) загартування; вибір температурних режимів при індукційному загартуванні; умови вибору індикатора при високочастотному загартуванні.