Критична швидкість загартування

Критична швидкість загартування у різних сталей не однакова і коливається в дуже великих межах (в залежності від хімічного складу стали). Є спеціальні стали, у яких критична швидкість загартування становить 2 - 3 ° в секунду, а у деяких сталей вона досягає 1200 ° в секунду. Чим нижче критична швидкість загартування, тим легше загартувати сталь. У всіх вуглецевих сталей критична швидкість загартування дуже велика. Вплив вуглецю на критичну швидкість загартування стали показано на рис. 62. Як видно з наведеної діаграми, найменшу критичну швидкість загартування має сталь, що містить 0,8% вуглецю. Але і у цій стали критична швидкість дуже велика - близько 160 ° в секунду.

На критичну швидкість загартування впливають і інші елементи, що містяться в стали, що буде розглянуто в подальшому. Критична швидкість загартування - важлива характеристика, без якої не можна встановити правильний режим загартування стали. Швидкість охолодження. Щоб встановити швидкість охолодження при загартуванню, крім критичної швидкості гарту треба враховувати також форму і розміри гартувати вироби. Вироби, виготовлені зі сталі одного і того ж складу і мають, отже, однакову критичну швидкість загартування, будуть охолоджуватися з різною швидкістю, якщо вони відрізняються один від одного розмірами і формою. Вплив розмірів і форми виробу на швидкість охолодження при загартуванню досить наочно ілюструється наступним прикладом.

Виготовимо з однієї і тієї ж стали пластинку розмірами 50 х 50 мм і товщиною 1 мм і кулька діаметром 10 мм. Якщо їх охолоджувати в однаковому середовищі, то можна легко переконатися, що платівка охолоджується значно швидше, ніж кульку. Тим часом платівка важить близько 20 г, а кулька всього близько 5 м З цього прикладу видно, що швидкість охолодження сильно залежить від величини поверхні виробу. Чим менше товщина вироби і чим більше відношення охолоджувальної поверхні до об'єму виробу, тим швидше відбувається охолодження. Значення твердості зразків різних перетинів, виготовлених зі сталі 45 і підданих загартуванню у воді.

Дані наведеної таблиці показують, що зразки, виготовлені з однієї і тієї ж стали і піддані загартуванню в однаковому середовищі, отримали різні властивості і структуру. Це пояснюється тим, що вони мали різне перетин, і тому їх охолодження протікало з неоднаковою швидкістю. Фактична швидкість охолодження при загартуванню зазвичай характеризується якийсь середньою величиною. Насправді, охолодження виробів при загартуванню в різних інтервалах температур відбувається з неоднаковою швидкістю. У перший період охолодження, коли різниця температур нагрітого вироби і охолоджуючої середовища дуже велика (850 і 20 °), виріб охолоджується значно швидше, ніж в кінці процесу, коли ця різниця вже значно менше.

Це нагрів заколення стали до Т АС1, витримці при затиснути Т і охолоджуванням з певною швидкістю.

Операція відпустки проводиться після гарту стали. Сама назва цієї операції говорить про те, що сталь як би відпускається з напруженого, загартованого стану. В результаті знижується крихкість, підвищується в'язкість і опір ударному навантаженню.

Подивимося, які ж зміни відбуваються в загартованої сталі при відпустці. Як ми вже бачили, структура загартованої сталі являє собою пересичений твердий розчин вуглецю в залозі, що викликає сильні внутрішні напруги. Внаслідок цього атомна решітка спотворюється, перетворюючись з кубічної в тетрагональную, а сталь набуває крихкість і легко руйнується при ударних навантаженнях. Якщо ж усунути внутрішні напруги, то, не знижуючи міцності і твердості стали, можна зменшити крихкість і тим самим істотно поліпшити її експлуатаційні властивості, що й досягається операцією відпустки з нагріванням до температури 150-200 ° С. Це так званий низький отпуск.Что ж відбувається при низькому відпустці? Під дією високої температури атоми вуглецю набувають більш високу рухливість і завдяки цьому виходять з твердого розчину. Вони утворюють з атомами заліза хімічна сполука - карбід Fe2 C При цьому внутрішні напруги в атомній решітці заліза зменшуються, і в результаті знижується крихкість загартованої сталі. Утворені карбіди мають настільки малі розміри, що їх неможливо виявити за допомогою мікроскопа, тому видимих ​​змін в мікроструктурі після низького відпустки не спостерігається. Зате властивості стали істотно поліпшуються.

Низький відпустку застосовують в тих випадках, коли після гарту необхідно зберегти високу твердість і зносостійкість стали. Для завершення всіх процесів, що відбуваються при низькому відпустці, досить дати витримку при температурі 200 ° С протягом 1 ч. Хоча при цьому не весь вуглець виходить з розчину, проте продовження витримки не дає суттєвих змін. Твердість стали після низького відпустки залежить від вмісту в ній вуглецю. У високовуглецевих сталях, що містять більше 0,7% С, вона буває зазвичай в межах HRC 59-63.

При підвищенні температури відпустки до 450 ° С і більше відбуваються суттєві зміни як в структурі, так і у властивостях загартованої сталі, обумовлені укрупненням цементітних частинок: дрібні частинки як би зливаються з більшими. Такий процес називається коагуляцією цементиту. При температурі відпустки понад 450 ° С частки цементиту стають настільки великими, що їх без зусиль можна розрізнити при спостереженні під мікроскопом. Таку ферритно-цементітную структуру, отриману в результаті гарту і відпустки при вказаній температурі, називають сорбітом.Такім чином, сорбіт відрізняється від троостита тільки тим, що частинки цементиту в ньому більші. Твердість сорбіту приблизно HRC 30-45.

Якщо тепер підвищити температуру відпустки до 600- 650 ° С, то частинки цементиту укрупняться настільки, що структура з вигляду буде наближатися до звичайного перліту, який був до гарту. Проте будуть і відмінності: перліт, отриманий після гарту і відпустки, буде мати більш однорідне мелкодисперсное будова. Це сприяє поліпшенню властивостей стали, і тому поєднання гарту з високим відпусткою носить названіеулучшенія.

Відпустка загартованої сталі в інтервалі температур 300-450 ° С прийнято називати середнім, а відпустку в інтервалі температур 500-600 ° С - високим.

При середньому відпустці загартованої сталі утворюється троостітная структура, і сталь набуває найбільш пружні властивості. Тому така відпустка застосовують при обробці рессорно-пружинних сталей.

При високому відпустці утворюється сорбітная структура. При цьому значно знижується твердість сталі, але зате істотно підвищується її в'язкість і опір ударному навантаженню (ударна в'язкість). Крім того, як встановлено дослідженнями, високий відпустку майже повністю (на 90-95%) усуває внутрішні напруги, тому його застосовують для багатьох відповідальних деталей і інструментів, що працюють в умовах динамічного навантаження: валів, шатунів, молотових штампів та ін.

Однак різке охолодження після високого відпустки, особливо великих деталей, може викликати внутрішні напруги і тому не завжди допустимо. Саме в таких випадках в сталь вводять невелику кількість вольфраму або молібдену, і тоді відпускна крихкість навіть в умовах повільного охолодження після відпустки не виникає.

Сплави заліза з вуглецем, що містять менш 2,14% вуглецю при малому вмісті інших елементів, називаються вуглецевими сталями. Вуглецеві сталі завершують кристалізацію утворенням аустеніту. В їх структурі немає евтектики (ледебуріта), завдяки чому вони мають високу пластичність, особливо при нагріванні, і добре деформуються.

Найкращими властивостями володіє електросталь, чистіша за змістом шкідливих домішок - сірки і фосфору, а також газів і неметалевих включень. Вона йде на виготовлення найбільш відповідальних деталей.

Сталь 08 володіє хорошою пластичністю в холодному стані і застосовується для деталей, виготовлених методом холодного штампування. Стали 10, 15, 20 -нізкоуглеродістие. Вони добре куються, зварюються, цементуються і застосовуються для виготовлення дрібних деталей (валики, гайки, осі, втулки, труби і листи під зварювання). Стали 45, 50, 55 добре гартуються і застосовуються для виготовлення відповідальних деталей.

Чавуну називають залізовуглецевих сплави, що містять понад 2% вуглецю. Чавун має більш низькими механічними властивостями, ніж сталь, але дешевше і добре відливається у вироби складної форми. Розрізняють декілька видів чавуну.

Білий чавун. в якому весь вуглець (2,0. 3,8%) знаходиться в зв'язаному стані у вигляді Fe3C (цементиту), що і визначає його властивості: високі твердість і крихкість, хорошу опірність зносу, погану оброблюваність ріжучими інструментами. Білий чавун застосовують для отримання сірого і ковкого чавуну і сталі.

Сірий чавун містить вуглець у зв'язаному стані тільки частково (не більше 0,5%). Решта вуглець знаходиться в чавуні у вільному стані у вигляді графіту. Графітові включення роблять колір зламу сірим. Чим злам темніше, тим чавун м'якше. Утворення графіту відбувається в результаті термічної обробки білого чавуну, коли частина цементиту розпадається на м'яке пластичне залізо і графіт по реакції Fe3C

> - »- 3Fe - [- C. Залежно від переважної структури розрізняють сірий чавун на перлітною, феритної або феррітоперлітной основі.

Властивості сірого чавуну залежать від режиму охолодження і наявності деяких домішок. Наприклад, чим більше кремнію, тим більше виділяється графіту, а тому чавун робиться м'якше. Сірий чавун має помірну твердість і легко обробляється ріжучими інструментами. Сірий чавун, що застосовується в будівництві, повинен мати межу міцності при розтягуванні не менше 120 МПа, а межа міцності при вигині 280 МПа.

З сірого чавуну відливають елементи конструкцій, добре працюють на стиск: колони, опорні подушки, черевики, тюбінги, опалювальні батареї, труби водопровідні та каналізаційні, плити для підлог, станини і корпусні деталістанков, головки і поршні двигунів, зубчасті колеса та інші деталі.

Ковкий чавун отримують після тривалого відпалу білого чавуну при високих температурах, коли цементит майже повністю розпадається з виділенням вільного вуглецю на феритної або перлітною основі. Вуглецеві включення мають округлу форму. На відміну від сірих ковкі чавуни є більш міцними і пластичними і легше обробляються.

Високоміцні (модифіковані) чавуни значно перевершують звичайні сірі по міцності і володіють деякими пластичними властивостями. Їх застосовують для виливків відповідальних деталей.

При випробуванні сірого і високоміцного чавунів визначають межу міцності при розтягуванні, вигині і стиску, а при випробуванні ковкого чавуну - межа міцності при розтягуванні, відносне подовження і твердість.

При маркуванні сірого і модифікованого чавуну, наприклад СЧ12-28, перші дві цифри позначають межу міцності при розтягуванні, наступні дві - межа міцності при вигині.

10. легованих називають сталі, в які крім заліза і вуглецю вводять легуючі добавки для додання сталям спеціальних властивостей. Основними легуючими елементами є Mn, Si, Cr, Ni, W. Mo, Со, Ti, V, Zr, Nb і ін.

Легуючі елементи по-різному впливають на властивості стали.

Марганець підвищує міцність, зносостійкість, а також глибину прокаливаемости стали при термічній обробці.

Кремній сприяє отриманню більш однорідної структури, позитивно позначається на пружних характеристиках стали. Кремній сприяє магнітним перетворенням, а при вмісті його в кількості 15-20% надає стали кислототривкість.

Хром підвищує твердість, міцність, а при термічній обробці збільшує глибину прокаливаемости, позитивно позначається на жароміцності, жаростійкості, підвищує корозійну стійкість.

Нікель діє так само, як і марганець. Крім того, він підвищує електроопір і знижує значення коефіцієнта лінійного розширення.

Вольфрам зменшує величину зерна, підвищує твердість і міцність, покращує ріжучі властивості при підвищеній температурі.

Молібден діє як і вольфрам, а також підвищує корозійну стійкість.