Фактори, що підвищують швидкість гарту
Мета роботи: практичне ознайомлення з операціями тримаючи-ської обробки; вивчення впливу режимів термічної обробки на властивості і структуру конструкційної та інструментальної сталей.
Матеріали та обладнання: колекція нетравленний і цькуванні-них мікрошліфів різних марок вуглецевих сталей; прилади Бринеля і Роквелла для визначення твердості, Мікротвердоміри 402 MVD для визначення мікротвердості, металографічний кому-плекс, який включає оптичний мікроскоп МІ-1, цифрову камеру Nikon Colorpix-4300 з фотоадаптера; травитель (4% -ний розчин HNO3 в спирті).
На отримання оптимальної структури після гарту і формую-вання кінцевих властивостей, одержуваних при відпустці загартованої сталі, впливає правильний вибір температури і часу витримки при нагріванні під загартування.
Залежно від температури нагрівання розрізняють повну і не-повну загартування стали.
Повної загартуванням називають загартування з нагріванням до температур од-нофазной аустенитной області.
Неповної загартуванням називають загартування з нагріванням до межкрітіче-ських температур (АС1 -Ас3), при яких зберігається надлишкова фа-за - ферит або вторинний цементит.
При нагріванні доевтектоїдних стали до температури вище АС1. але
нижче Ас3 в структурі поряд з аустенітом залишиться частина непревра-ного фериту, який призводить при загартуванню до утворення мар-тенсітно-феритної структури (рис. 2). Ферит, що має низьку твердість, знижує загальну твердість загартованої сталі і погіршує її механічні властивості після відпустки.
Мал. 1. Оптимальний інтервал гартівних температур
При нагріванні доевтектоїдних стали до температур великих, ніж на 30- 50 ° С вище АС3 буде відбуватися зростання зерна аустеніту і відповідний
зростання зерна після охолодження (рис. 3), що погіршує властивості стали.
Для заевтектоідних сталей оптимальна температура гарту навпаки лежить в інтервалі між АС1 і АС3 і теоретично є неповною.
Нагрівання під загартування проводиться в печах періодичної і не-переривчастої дії, частіше - електричних або працюють на газо-образному (рідкому) паливі. Широко застосовуються печі-ванни, в ко-торих виріб нагрівається в розплавлених солях, наприклад, в 100% ВаCl2 або 78% BaCl2 і 22% NaCl, або в сильвините (природний ми-
Нера, що складається з NaCl + КCl), рідше - в металах (зазвичай в свинці). Загальна тривалість нагрівання, т. Е. Загальний час tобщ преба-вання деталей в нагревающей середовищі, складається з часу tн нагріву до заданої температури і часу t в витримки при цій температурі:
Швидкість нагріву залежить від хімічного складу стали, розміру і форми оброблюваних деталей, характеру розташування виробів в печі, типу нагрівального пристрою, температури нагріву і т. Д.
При термічної обробки в печах можливі три способи нагріву:
- деталі завантажують в холодну або розігріту до невисокої температури піч і нагрівають до заданої температури, при цьому час нагрівання достатньо велика, але різниця температур по січі-нию невелика. Цей спосіб застосовують при нагріванні деталей складної форми і виготовлених з високолегованих сталей;
- деталі завантажують в піч, що має постійну задану темпе-ратуру; час нагрівання менше, ніж при першому способі, але різниця тим-температур по перетину більше. Цей спосіб є найпоширенішим;
- деталі завантажують в піч, що має температуру вище заданий-ний. У міру нагрівання деталей температура печі знижується до заданий-ний. При цьому способі швидкість нагріву, різниця температур і воз-виникаючі внутрішні напруги найбільші. Цей спосіб є способом форсованого нагріву.
Час нагріву залежить від розташування деталей в печі і від їх взаємного розташування. Деталі нагріваються швидше за всесто-роннем підводі тепла, найповільніший нагрівання - при розташуванні декількох деталей впритул (тривалість нагріву увеличи-ється в чотири рази). Це відображено в зразкових нормах нагріву де-талей (табл. 1).
Зразкові норми нагріву деталей діаметром (товщиною) більше 3 мм при нагріванні для загартування 750-900 ° С
При досягненні заданої температури нагріву проводять ви-радити для повного прогріву вироби по перетину, завершення всіх фазових перетворень і вирівнювання складу аустеніту по перетину.
Час витримки. так само як і температура нагріву, залежать від хімічного складу стали, форми і розмірів виробу. Чим вище температура нагріву, тим менше потрібно часу для повного про- Гревьє деталі і гомогенізації аустеніту. Час витримки при заданий-ний температурі може бути прийнято рівним 3 хв для вуглецевих сталей і 5-6 хв для легованих сталей.
В процесі нагрівання деталей в печах метал взаємодіє з ат-мосферой печі. Результатом такої взаємодії є:
- окислення, що веде до утворення окалини на поверхні металу, що нагрівається;
- обезуглероживание - часткове або повне вигоряння вуглецю
в поверхневих шарах сталі.
Окислення призводить до втрат металу, ускладнює обробку деталей. ускладнює отримання високої і рівномірної твердості. Втрати металу при нагріванні складають 3% маси оброблюваної мих деталей.
У зневуглецьована шарі з'являються «м'які плями» і возника-ють напруження розтягу, що знижує міцність, знос-кістка і межа витривалості, т. Е. Знижує термін служби деталей.
Для запобігання поверхні деталей від окислення і обезуг-лерожіванія в робочий простір печі штучно вводять за-захисну газове середовище, яка називається контрольованою атмосферою.
Для попередження обезуглероживания використовують продукти дисоціації аміаку або часткового їх спалювання (Н2 - Н2 О - N2) або генераторний газ (СО - СО2 - N2), осушене і попередньо очищається від СО2.
Для захисту від окислення можуть застосовувати інертні гази - ар-гон, неон, азот. Запобігання деталей від окислення і обезуглерожі-вання здійснюється також нагріванням в добре розкислення рас-плавлених солях.
Останнім часом набуває поширення нагрів з застосований-ням захисних покриттів - склоподібних емалей. Для таких покриття-тий застосовують механічні суміші тонких порошків стекол з вогне-наполегливими наповнювачами. В процесі нагрівання відбувається плавлення легкоплавких, а потім тугоплавких складових суміші, і тим самим забезпечується отримання склоподібної розплавленої плівки, з-лірующей метал від пічної атмосфери.
Мал. 6. Зміна твердості загартованої сталі в залежності від вмісту вуглецю і температури гарту:
Мал. 7. Визначення критичної швидкості гарту по діаграмі ізотермічних перетворень
Критичною швидкістю гарту називається найменша ско-
Якщо швидкість охолодження буде менше # 965; кр. аустенит розпадається-ся на ферито-цементітную суміш - Бейн, троостіт, сорбіт (рис. 9).
Мал. 9. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту доевтектоїдної стали (0,4% С)
Твердість залежить від хімічного складу сталі.
Бейніт (голчастий троостіт) -високодісперсная суміш феррітаі цементиту голчастого будови (рис. 10). Має твердість НВ 4500- 5500 МПа. Поряд з високою твердістю володіє деякою в'язкістю.
Мал. 10. Структура бейнита: а. б - верхній бейнит; в. г - нижній бейнит (а. в - × 500; б. г - електронний мікроскоп × 3000)
Троостит є високодисперсних суміш фериту іцементіта (рис. 11). Троостит гарту має пластинчасту будову і твердість НВ 3500-4500 МПа. Володіє в'язкістю з високим преде-лом пропорційності.
Мал. 11. Троостит (× 16000), розпад при Т = 600 ° С
Сорбіт -механічна суміш фериту і цементиту, але більш гру-бого будови, ніж троостіт. Частинки цементиту в сорбите помітні під мікроскопом при збільшенні в 500 разів (рис. 12). Для порівняння на рис. 13 приведена мікроструктура перліту.
Мал. 12. Сорбіт (× 7500), розпад при Т = 650 ° С
Мал. 13. Перліт (× 7500), розпад при Т = 700 ° С
Мал. 15. Вплив вмісту вуглецю на кількість залишкового аустеніту в загартованою стали
Величина критичної швидкості гарту неоднакова для різних сталей і залежить від стійкості аустеніту. Чим більше його стійкості-с-, а, отже, чим більше зміщені вправо лінії перетворюється-щений на діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту, тим менше критична швидкість загартування.
Фактори, що підвищують швидкість гарту
Легуючі елементи (Мо, Ni, Cr,
Mn і ін.), Що знаходяться
в твердому розчині, зазвичай збільшують
і знижують критичну швидкість загартування. Виняток становить кобальт, який зменшує стійкість аустеніту, збільшуючи при цьому критичну швидкість загартування.
Якщо елементи знаходяться в вигляді різних з'єднань (карбіди, інтерметалліді), то вони можуть створювати додаткові центри кристалізації і зменшувати стійкість аустеніту, а, слідчий-но, підвищувати критичну швидкість загартування.
В вуглецевої сталі найбільш низьку критичну швидкість за-Калки має евтектоїдна сталь. Зниження вмісту вуглецю, в порівнянні з Евтектоїдних складом, призводить до підвищення крити-чеський швидкості гарту. У заевтектоідной стали з підвищенням з-тримання вуглецю при охолодженні з межкрітіческого інтервалу критична швидкість загартування також підвищується.
Наприклад, розкислення тільки кремнієм і марганцем підвищує стійкість аустеніту, а розкислення титаном і алюмінієм, обра-зующей дисперсні частинки оксидів і нітридів, може зменшувати стійкість аустеніту. У першому випадку критична швидкість загартування-ки менше, ніж у другому.
Механізм охолодження стали в рідини полягає в наступному:
- в перший момент охолодження утворюється тонка плівка пере-гріти пара, яка є поганим провідником тепла і знижує швидкість охолодження. Перший етап відносного повільного охла-дження називається стадією плівкового кипіння;
- коли кількість теплоти, отнімаємой рідиною, більше ко-лічества теплоти, випромінюваної нагрітим тілом, плівка розривається
і подальше охолодження відбувається паротворенням на поверх-ності металу (стадія пухирчастого кипіння);
- оскільки на пароутворення витрачається велика кількістю-ство теплоти, то поверхню виробу охолоджується дуже інтенсив-но і температура її швидко падає. Коли температура поверхні
досягає температури кипіння рідини, охолодження відбувається тепловіддачею і значно сповільнюється (стадія конвективного теплообміну).
Як охолоджуючих середовищ застосовують воду, водні та інші масла, розплавлені солі і метали, і в ряді випадків - повітря