Технологія термічної обробки сталі

    Важливою  характеристикою прогартовуваності  сталі є критичний діаметр заготовки.

    Критичним діаметром заготовки D_K називають такий максимальний діаметр циліндра із даної сталі, в центрі якого під час гартування у вибраному охолоднику утворюється напівмартенситна структура. В цьому випадку D_K позначають як D₅₀. Часто напівмартенситна структура не забезпечує потрібних механічних властивостей виробу. Тоді ставлять вимогу, щоб в центрі виробу замість 50 % мартенситу його було, наприклад, 95 % або 99,9 %. У зазначених випадках критичний діаметр позначають як D₉₅ або D_99,9 відповідно. Очевидно, перехід від напів-мартенситної структури до переважно мартенситної зменшить D_кp.

    Зменшується також D_кp унаслідок заміни охолодника, наприклад, води на оливу. Критичний діаметр враховують під час вибору сталі для виготовлення конкретного виробу. Прогартовуваність сталі визначають експериментально за стандартною методикою [8,с. 87-98]. 

     2.5 ПОВЕРХНЕВЕ ГАРТУВАННЯ СТАЛІ 

    Поверхневе  гартування відбувається внаслідок  швидкого нагрівання тільки поверхневої  зони сталевої заготовки до температур аустенітної області з подальшим охолодженням зі швидкістю, не меншою за критичну. Внутрішня зона (осердя), яка не зазнала фазових перетворень, залишається незагартованою. Мета поверхневого гартування — висока твердість поверхні в поєднанні з в'язким осердям, підвищена зносостійкість і границя витривалості.

    Поверхню  заготовок нагрівають до температур фазових перетворень струмами високої частоти (СВЧ), полум'ям пальників, лазерним променем, в розплавлених легкоплавких металах або солях та іншими методами.

    Для нагрівання струмами високої частоти заготовку 1 (рис. 2.2) вставляють в індуктор 2 (соленоїд) з деяким зазором. Кожній заготовці потрібен окремий індуктор відповідно до її форми й розмірів. Індуктор — це електропровідна мідна трубка, всередині якої циркулює вода для охолодження. Струм високої частоти створює змінне електромагнітне поле. Воно індукує в заготовці вихрові струми, які швидко нагрівають її поверхню. Що більша частота струму, то менша глибина його проникнення (глибина нагрівання). Час нагрівання перебуває в межах від 2 до 50 с Висока швидкість нагрівання зсуває фазові перетворення в зону підвищених температур порівняно з повільним нагріванням у печі.

    Для живлення індуктора використовують машинні або лампові генератори. Машинні генератори виробляють струм частотою 500... 15 000 Гц, лампові — до 107 Гц. Лампові генератори використовують для утворення загартованого шару завтовшки від 0,1 до 2 мм, машинні — понад 2 мм. Нагріту заготовку негайно охолоджують у спеціальному пристрої 3, через отвори якого інтенсивно подається охолодна рідина. Часто заготовку після нагрівання вкидають у посудину з рідиною.

    

    Рисунок 2.2 Поверхневе гартування струмами високої частоти:

    1 — заготовка; 2 — індуктор;

    3 — пристрій для охолодження

    Перевагами  нагрівання СВЧ є висока продуктивність, можливість уникнути оксидації й зневуглецьовування поверхні заготовки, точно регулювати глибину гартування й автоматизувати процес. Недоліком методу є висока вартість генераторів СВЧ, а також необхідність виготовляти окремий індуктор для кожної заготовки та потреба індивідуально добирати режим обробки. Високочастотне гартування широко застосовують для заготовок, виготовлених з дешевих вуглецевих сталей із вмістом вуглецю понад 0,4 % в умовах серійного й масового виробництва.

    Полуменеве  поверхневе нагрівання до температури аустенітної області застосовують переважно для габаритних виробів в одиничному виробництві. Нагрівають поверхні під гартування газокисневими пальниками ацетиленом або природним газом. Услід за пальником пересувається пристрій з охолоджувальною рідиною. Товщина загартованої зони становить 2...4 мм. Недолік методу полягає у тому, що складно регулювати температуру нагрівання.

    Нагрівання  лазерним променем до високих температур триває всього 10^-3...10^-7 с, після чого від нагрітої поверхневої ділянки малого об'єму дуже швидко відводиться теплота холодним металом і відбувається гартування. Лазери — це квантові генератори світла, енергія якого перетворюється в теплоту. Лазерне випромінювання характеризується вузьким пучком висококонцентрованої енергії, що її випромінюють тверді тіла (рубін, ітрій, скло) або гази (Не, Ne, Аr, СО₂). Лазерне випромінювання особливо ефективне для виробів зі складною поверхнею. Товщина зміцненого шару не перевищує 0,1...0,15 мм.

    Нагрівання  розплавленими легкоплавкими металами або солями поверхневих шарів виробів до аустенітного стану застосовують під час гартування невеликих заготовок простої геометричної форми [9,с. 78-112]. 

     2.6 ВІДПУСК 

    Відпуском називають нагрівання загартованої сталі до температури меншої від Ас (див. рис. 2.1, а), витримування при цій температурі й подальше охолодження. Мета відпуску - зменшення залишкових напружень, зниження твердості й підвищення пластичності сталі. Під час відпуску розпадаються мартенсит гартування і залишковий аустеніт, а також укрупнюються й сфероїдизуються карбіди. Зазначені структурні перетворення змінюють механічні властивості відпущених сталей. З підвищенням температури відпуску t_B (рис. 2.3) міцність (σ_0,2, σ_в) і твердість НВ сталей зменшуються, а їх відносне видовження δ і відносне звуження ψ, а також ударна в'язкість KCU зростають.

Рисунок 2.3 Залежність механічних властивостей

(σ_0,2, σ_в, НВ, δ, ψ, KCU) загартованої сталі із вмістом вуглецю 0,4 % від температури відпуску t_в

    Залежно від температури нагрівання розрізняють низькотемпературний, середньотемпературний і високотемпературний відпуск.

    Низькотемпературний відпуск полягає у нагріванні загартованої сталі до температур 150...250 °С (рис. 2.1, а) звичайно протягом 1...3 год. В результаті отримують відпущений мартенсит і частково знімають напруження гартування. Пластичність низьковідпущеної сталі дещо зростає, а твердість майже не змінюється. Низькотемпературний відпуск застосовують як кінцеву термообробку для різальних і вимірювальних інструментів,: а також до цементованих і поверхнево загартованих виробів, умови роботи яких вимагають значної поверхневої твердості й високої зносостійкості.

    Під час середньотемпературного відпуску загартовану сталь нагрівають до 350...500 °С (див. рис. 2.1, а). У межах зазначених температур нагрівання мартенсит гартування і залишковий аустеніт повністю розпадаються на дисперсну феритно-цементитну структуру — троостит відпуску. Така структура поєднує високі границі міцності, пружності й витривалості. Твердість сталі після середньотемпературного відпуску становить 40...50 HRC. Цей вид термообробки застосовують для пружин, ресор, а також ударного інструменту.

    Високотемпературний відпуск вимагає нагрівання загартованої сталі до температур 500...650 °С (див. рис. 2.1, а) і забезпечує повний розпад структур гартування й подальшу коагуляцію продуктів розпаду. Утворена зерниста структура — сорбіт відпуску — має високу пластичність та ударну в'язкість при задовільній міцності. Високотемпературний відпуск застосовують для деталей, які сприймають значні ударні та знакозмінні навантаження. 

     2.7 ВІДПУСКНА КРИХКІСТЬ 

    Відпускною  крихкістю називають окрихчення багатьох конструкційних сталей в певних діапазонах температур відпуску. Схильність відпущених сталей, особливо легованих, до крихкого руйнування найчастіше виявляють графічно, порівнюючи їх ударну в'язкість KCU з відповідною температурою відпуску t_B (рис. 2.4). Звичайно, підвищення температури відпуску збільшує ударну в'язкість. Однак в інтервалі температур відпуску 250...400 °С спостерігається істотний спад значень ударної в'язкості, визначених при кімнатній температурі. В інтервалі температур відпуску 450...600 °С при повільному охолодженні від цих температур ударна в'язкість нижча (крива 2), ніж при швидкому охолодженні (крива 1).

    Розрізняють два види відпускної крихкості —  неповторювана (І роду) й повторювана (II роду).

    Неповторювана відпускна крихкість (І роду) спостерігається у легованих, а також вуглецевих сталях, відпущених в інтервалі температур 250...400 °С. 

    Рисунок 2.4 Вплив температури відпуску t_B на ударну в'язкість;

    KCU сталі, чутливої до відпускної  крихкості:

    1 — швидке охолодження у воді або оливі;

    2 — повільне охолодження у печі або на повітрі

    Окрихчення  сталей пов'язують з неодночасним розпадом мартенситу всередині зерна та на його границях. Розпад мартенситу в пограничних зонах починається з виділення й подальшого відокремлення цементиту. В місцях розпаду виникають концентрації напружень і тому ударна в'язкість сталі після відпуску в інтервалі температур 250...400 °С менша, ніж після відпуску при температурах нижчих за 250 °С. Підвищення температури відпуску понад 400 °С або збільшення тривалості нагрівання спричинюють вирівнювання структури в усьому зерні, внаслідок чого відпускна крихкість сталі зникає. Повторне (після відпуску понад 400 °С) нагрівання сталі в інтервалі температур окрихчення не зумовлює зниження ударної в'язкості, тобто сталь уже не повертається до крихкого стану.

    Повторювану відпускну крихкість (II роду) мають  леговані сталі, відпущені в інтервалі температур 450...600 °С і охолоджені повільно. Швидке охолодження у воді від температури високого відпуску зменшує спад ударної в'язкості аж до повного його зникнення. Повторювана відпускна крихкість не спостерігається у вуглецевих сталях, її найчастіше пов'язують із виділенням на границях колишніх зерен аустеніту шкідливих домішок, особливо фосфору, під час повільного охолодження після високотемпературного відпуску. Цьому сприяють такі широковикористовувані легувальні елементи, як хром, марганець і нікель, які також мігрують до границь зерен, де хром і марганець утворюють леговані та спеціальні карбіди.

    Підвищена концентрація шкідливих домішок  поблизу границь зерен істотно послаблює міжзеренний зв'язок і є однією з причин крихкості. Додавання до легованих сталей в обмеженій кількості молібдену (0,2...0,3 %) або вольфраму (0,5...0,7 %) послаблює відпускну крихкість. Нагрівання попередньо окрихченої сталі до температур понад 600 °С і подальше швидке охолодження можуть обмежити або й зовсім зняти відпускну крихкість. Під час цього розподіл фосфору по зерну вирівнюється, а швидке охолодження стримує дифузію. Проте повторний відпуск при температурах 450...600 °С знову призводить до відпускної крихкості. Звідси походить назва — повторювана відпускна крихкість [12,с. 19-25].

 

ВИСНОВОК 

     Отже, машинобудування є найважливіша комплексна галузь обробної промисловості, включає до себе верстатобудування, приладобудування, енергетичне, металургійне, хімічне і сільськогосподарське машинобудування. Більшість галузей машинобудівного комплексу належить до трудомістких, тобто таких, які потребують відносно небагато сировини, але значних затрат праці на виготовлення продукції. Орієнтація на трудові ресурси — другий принцип розміщення. Постійно зростають вимоги до кваліфікації робочої сили. Розвиток в машинобудуванні характеризується як покращенням конструкцій машин, так і неперервним удосконаленням технології їх виробництва. Від прийнятої технології залежить надійність роботи машин, а також економічність їх експлуатації.

     В основі термічної обробки сталей лежить перекристалізація аустеніту  при охолодженні. Перекристалізація  може відбутися дифузійним або бездифузійним  способами. У залежності від переохолодження  аустеніт може перетворюватися у  різні структури з різними властивостями.

     Розрізняють такі види термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування і відпуск.

    Технологія  термічної обробки сталі регламентує:

• максимальну температуру нагрівання заготовки;
• допустиму швидкість нагрівання до температури;
• час витримки при температурі нагрівання;
• режим охолодження,

     а також належне технологічне обладнання й засоби контролю.

 

      ЛІТЕРАТУРА 

1. Збожна  О.М. Технологія. – К., 1993.

2. Никифоров  В.М. Технологія металів і конструкційній  матеріали. – К.: Вища школа, 1984.

3. Основи  матеріалознавства / За ред. Коваленка  В.І. – К., 2002.

4. Смірно  В.А. Системи технологій. Підручник.  – К., 1999.

5. Гуляев  Б.Б., Корнюшкин ОЛ., Кузин А.В. Формовочные  процессы. — 
Л.: Машиностроение, 1987. — 264 с.

6. Рубцов  Н.Н., Баландин В.В., Воробьев М.П. Литейные формы. — М.: 
Машгиз, 1959. — 557 с.

7. Справочник  по чугунному литью /Под ред.  Н.Г.Гиршовича. — М.: 
Машиностроение, 1987. — 758 с.