Навіщо потрібне і як проводиться загартування сталі?

Загартування стали – це процес, при якому відбувається нагрів металу до температур зміни його кристалічної решітки з подальшим її різким охолодженням. В результаті проходження сплавом процесу загартування він набуває властивість мартенситу і стає твердіше.

Які властивості дає загартування?

Завдяки зміні внутрішньої структури металу деталі з нього придбавають додаткову твердість і міцність. При різких механічних діях металеві структури стають крихкими із-за виниклої напруги в їх кристалічній решітці.

Поверхня виробу покривається окалиною, що враховується при подальшій обробці. Також відзначається зниження пластичності й в'язкості.

Для компенсації виниклих недоліків застосовують спосіб відпуску. Відпуск, на відміну від гартування, є вторинним процесом і нагрів деталі при ньому досягає до 150-500 градусів за Цельсієм з подальшим повільним охолодженням. Такий процес допомагає понизити міру напруженості кристалічної решітки та, як наслідок, зменшити її крихкість.

Як загартовується сталь?

Для ефективного гартування існує низка параметрів, які необхідно враховувати. Серед них:

  1. Температура. Ця характеристика впливає на режим гартування: методика, при якій температура роботи вище критичної на 40-50 градусів, називається повним загартуванням. Якщо ж термообробка не досягає вказаних цифр, то процес вважається неповним.

  1. Час витримки металу. Цей параметр впливає на процеси зміни кристалічної решітки виробу, оскільки чим довше впливають високі температури на матеріал, тим більше властивостей мартенситу, фериту й аустеніту він отримає.
  2. Швидкість і спосіб охолодження. Для отримання структур мартенситу необхідно швидко охолодити аустеніт при температурі 500-600 градусів за Цельсієм. Повільне зниження температури дозволить провести зміну структури мартенситу. В процесі охолодження важливо правильно вибрати середовище, в якому відбуватиметься увесь процес. Для таких цілей застосовують воду, мінеральну олію, а також розчин кухарської солі.

При цьому вуглецеві сталі охолоджують за допомогою води з температурою 15-18 градусів за Цельсієм, а леговані обробляють в середовищі мінеральної олії.

Важливо розрізняти загартування за охолоджувальними середовищами:

  • загартування в одному охолоджувальному середовищі застосовується для обробки металевих виробів нескладної форми. Це обгрунтовується тим, що при охолодженні в одному середовищі поверхня охолоджується швидше чим серцевина, що призводить до викривлення деталі і її подальшого розтріскування;
  • гартування у двох середовищах: первинне охолодження до 300-400 градусів у воді, а потім повне охолодження в мінеральній олії. Частіше увесь цей метод застосовують для загартування інструментів, у складі яких є високий вміст вуглецю;
  • ступінчасте загартування. Перший етап відбувається в соляній ванні, де температура досягає показників мартенситного перетворення. Потім робиться охолодження на повітрі або в іншому однорідному середовищі. З недоліків методу відзначається неможливість швидкого охолодження, через що він застосовується переважно для виробів з невеликим перерізом;
  • струменисте загартування - використовується для термообробки певної частини металу. У цих цілях застосовують спеціальні установки з нагрівом і струминного подання води для охолодження;
  • ізотермічне загартування має ідентичний технологічний процес зі ступінчастою обробкою, але відрізняється часом перебування в охолоджувальному середовищі для забезпечення розпаду аустеніту. В якості охолоджувального середовища застосовують розчини розплавленої солі. Такий метод підходить для металів з різним вмістом вуглецю в складі, а також для легованих сталей;
  • світле загартування. Тут в якості середовища охолодження застосовують розчини луги, які забезпечують очищення поверхні від окалини;
  • загартування з самовідпуском, при якому металу не дають повністю охолодитися, витягаючи його з середовища. Серцевина виробу при цьому залишається розігрітою, що використовується для проведення відпуску матеріалу.

Спосіб гартування обирається залежно від властивостей сплаву. У загальних рисах сама технологія має наступний вигляд:

  1. Заготівля нагрівається до 750 градусів, набуваючи властивість аустеніту.
  2. Проводиться перевірка на нагріття усієї деталі, а не тільки її поверхні за допомогою приладу Роквеллу, який показує міру розжарювання металу на усіх його шарах.
  3. Наступний етап - охолодження з використанням необхідного розчину.
  4. Відпуск. При необхідності частково охолоджений виріб можна піддати відпуску.

Вибір охолоджувального середовища

Вибір охолоджувального середовища впливає на подальші властивості металу, а також на якість отримуваного виробу.

При поверхневому загартуванні застосовується охолодження водою. Рідина не повинна містити домішок, а виріб має бути простої форми. Температура води при цьому складає 30 градусів за Цельсієм.

Охолодження каустичною содою застосовується для виробів складної форми. Такий розчин нагрівається до температури 60 градусів.

Невеликі в перерізі виріб, а також ті, які відносяться до тонкостінних, заведено охолоджувати із застосуванням мінеральних олій, забезпечуючи постійну температуру розчину. Важливо, щоб в ньому не було води, яка може сприяти нерівномірному охолодженню виробу.

Варто зазначити, що каустична сода і мінеральні олії мають токсичність для людини під час роботи з ними, а також відрізняються вибухонебезпекою.

Вибір і підготовка сталі

Існування декількох методик і різноманітності засобів охолодження дозволяє гартувати майже будь-які види сталі. Виконання умов загартування дозволяє добитися необхідних характеристик як для легованих, так і для вуглецевих сталей. Тут варто зазначити, що вироби, у складі яких є хоч би невелика кількість вуглецю, не піддаються загартуванню, оскільки вірогідність руйнування деталей у такому разі занадто висока.

Щоб уникнути виникнення дефектів, необхідно заздалегідь підготувати сталь до термообробки. Для цього віддаляються сколи та щербини на металопродукції, також робиться зачистка його поверхні від іржі. Наявність зовнішніх дефектів може позначитися на подальшій цілісності продукту, а також твердості й пластичності.Також важливий етап уточнення складу металу, адже неправильно обрана техніка обробки може привести виріб в непридатність.