О

І циліндричної деталі при поверхневому гартуванні з нагрівом свч: 1-індуктор; 2- деталь.

холодження деталей після нагріву СВЧ (або одночасно з ним) проводять водою або водними розчинами полімерів за допомогою душевого пристрою (спрейєра). Після загартування вироби підлягають низькому відпусканню при 160-200°С, а інколи самовідпусканню.

Для поверхневого індукційного загартування застосовують сталі з 0,4-0,5% С (40; 45; 40Х; 45Х; 40ХН), які після загартування мають високу твердість (50-60 НЯС), зносостійкі і не схильні до крихкого руйнування. Існує також спосіб, коли здійснюється крізний нагрів деталі, але вона виготовляється із сталі з пониженою про- гартовуваністю (наприклад, 55ПП), і тому загартовується лише поверхневий шар. Сталі пониженої прогартовуваності повинні мати мало домішок <0,5%(8і+Мп+Сг+№). Використовують також сталі регламентованої Прогартовуваності, наприклад, 47ГТ (0,44-0,51%С; 0,9-1,2% Мп; 0,06-0,12% Ті).

Висока швидкість нагріву під час загартування СВЧ (сотні і радусів в секунду) обумовлюють те, що температури початку і кінця фазових перетворень значно підвищуються. При цьому в доев- гектоїдних сталях перетворення надлишкового фериту в аустеніт як би випереджає дифузію вуглецю, в результаті чого маловуглецевий ферит перетворюється в маловуглецевий аустеніт.

Отже, температура високочастотного загартування має бути тим вища, чим вища швидкість нагрівання і більше в структурі

надлишкового фериту. Наприклад, сталь 40 при пічному нагріванні загартовують з температур 840-860°С, при індукційному нагріванні зі швидкістю 250°С/с - з температур 880-920°С, а при швидкості нагрівання 400°С/с - з 930-980°С.

Рекомендується для високочастотного загартування використовувати сталі з подрібненою вихідною структурою (після нормалізації або навіть після поліпшення).

Основні параметри індукційного нагріву - температура загартування і швидкість нагрівання в районі фазових перетворень.

Важливою особливістю перетворень при загартуванні з допомогою СВЧ є те, що в умовах дуже великої швидкості нагріву, сильного перегріву вище критичної точки Ас₃ (Т_пт= 1200°С) і малої витримки при максимальній температурі зерно аустеніту не встигає вирости. В зв'язку з цим загартування СВЧ забезпечує завжди структуру безголчастого ("безструктурного") мартенситу в доевтектоїдиих сталях.

З підвищенням температури загартування вище оптимальної структура стає грубішою, і з'являється крупноголчастий мартенсит. Якщо трапляється недогрів, то твердість знижується через неповну аустенізацію. При перегріві твердість також зменшується через збільшення кількості залишкового аустеніту і росту зерна.

Взагалі загартування з високочастотним нагрівом має слідуючі переваги:

• висока продуктивність;

• підвищені зносостійкість і опір втомленості деталей;

• відсутність зневуглецьовування поверхні деталей;

• незначне окислення поверхні деталей;

• точне регулювання глибини загартування;

• можливість механізації і автоматизації процесу;

• можливість організації поточних ліній.

До недоліків відносяться висока вартість індукційної установки і нерентабельність загартування одиничних деталей.

При масовому або крупносерійиому виробництві загартування з нагрівом СВЧ впроваджують для таких деталей, як колінчасті і розподільні вали, шестерні, гальмуючі кулаки, пальці кривошипу, валки холодного прокатування, рельси (загартовують кінці рельсів). Твердість деталей після загартування з нагріву СВЧ вища, ніж після загартування з нагріву в печах.

Поверхневе загартування з використанням нагріву полум'яним пальником проводиться слідуючим способом. Газу вате пальне (наприклад, ацетилен) і кисень змішуються в спеціальному пальнику і підпалюються на виході з наконечника. При цьому утворюється полум'я з високою температурою (2400-3000°С). Полум'я направляють па ділянку поверхні виробу, яка швидко розігрівається до температури загартування. Потім нагріта поверхня охолоджу- гться водою, яка вибризкується через отвори, зроблені спеціально в охолоджуючій частині наконечника.

Товщина загартованого шару звичайно 2-4мм, а його твердість для сталі з 0,45% С - 50-56НКС. В тонкому поверхневому шарі утворюється мартенсит, а глибже - троостомартенсит. Газополум'я- пс загартування викликає менші деформації, ніж об'ємне загартування. Його доцільно застосовувати при індивідуальному виробництві і ремонті крупних виробів (прокатних валків, колес, валів тощо), а також при роботі в польових умовах (загартування без демонтажу). Недоліки газополум'яного загартування - можливість чільного перегріву і неточне регулювання товщини загартованого шару.

Перспективним є загартування поверхні при нагріванні ’кпером. Лазери - це генератори світла (квантові генератори оптичного діапазону). В основу їх роботи покладено підсилення електромагнітних коливань за допомогою індукційного випромінювання атомів (молекул). Лазерне випромінювання монохроматичне, розповсюджується дуже вузьким пучком і характеризується надзвичайно високою концентрацією енергії.

Для лазерної термічної обробки використовують газові СОї - лазери безперервно-хвильового типу потужністю 0,5-5кВт. Застосування лазерів для термообробки базується на трансформації світлової енергії в теплову.

Лазерне загартування здійснюється в результаті короткочасного нагріву (10³—10'⁷с) і дуже швидкого охолодження (10³-10^6оС/с).

Глибина термічно обробленого поверхневого шару регулю- сться густиною лазерного пучка і часом взаємодії з виробом і може змінюватись від 0,1-0,2мм до 1-2мм.

Лазерна термічна обробка дуже продуктивна і дає можливість автоматизувати процес.

Підбір режимів лазерної обробки дозволяє формувати в поверхневих шарах різну дисперсність частинок карбідів - змінювати морфологію мартенситу і інших фаз, утворювати необхідну дислокаційну структуру. Крім того, лазерна обробка знижує жолоблення і деформацію виробів.

Структура поверхні середньовуглецевих сталей (0,35-0,45% С) після лазерної обробки включає декілька зон (рис. 209):

1. зону плавлення,.яка складається з дендритних кристалів мартенситу з мікротвердістю Н 800-850;

2. зону термічного впливу (нагрів до температури вище Ас₃), яка складається із стійкого проти травлення білого шару азотисто- вуглецевого мартенситу (азот потрапляє із повітря) з мікротвердістю Н 800; нижня межа шару визначається зоною неповного загартування із структурою мартенситу і фериту;

3. зону відпускання з пониженою мікротвердістю Н 500-650;

4. зону похідної структури і твердості.

Рис.209. Схема нагріву лазером для поверхневого гартування: а) схема розташування зон термічного впливу (Б-діаметр зони лазерного впливу; 5-шаг обробки; X- товщина зміцненого шару); б) схема будови зони зміцнення: і-зона плавлення; 2- зона термічного впливу; 3-зона неповного загартування; 4-вихідна структура.

Лазерне загартування підвищує в 2-4 рази зносостійкість і на 70- 80% границю витривалості, що в цілому підвищує довговічність виробів.

Запитання для самоперевірки

1. Що таке повний і неповний відпали і з якою метою вони проводяться?

2. Чим відрізняється нормалізація від відпалу?

3. Які існують різновиди гартувань і в яких випадках вони ілстосовуються?

4. Які внутрішні напруження виникають при гартуванні сталей?

5. В чому сутність і особливості термомеханічної обробки сталей?

6. Що таке поверхневе загартування і як воно впливає на експлуатаційні характеристики виробів?

7. Як регулюється глибина загартованого шару при нагріві струмом високої частоти (СВЧ) під час поверхневого гартування?

8. Чому після загартування з нагріву СВЧ утворюється більш дрібне зерно аустеніту, ніж після нагрівання в печі?

9. В яких випадках доцільно застосовувати поверхневе загартування з нагріву газовим пальником?

10. Як впливає лазерне поверхневе гартування на мікроструктуру і властивості сталі?

І ЛАВА 7. СТРУКТУРНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПІД ЧАС НАГРІВАННЯ І ОХОЛОДЖЕННЯ В ПРОЦЕСІ ЗВАРЮВАННЯ СТАЛЕЙ (ВТОРИННА КРИСТАЛІЗАЦІЯ)

І.Умови протікання фазових перетворень в зварних ('єднаннях

Основний вид зварювання - це зварювання плавленням, при «кому утворюється метал шва, і під впливом температури нагрівається навколошовна зона основного металу, яка називається юною термічного,впливу (ЗТВ).

При зварюванні плавленням метал шва у невеликому об'ємі підпадає повному циклу металургійної обробки. Тут мають місце плавлення, обробка тиском і термічна обробка. Місцевий характер процесу зварювання викликає термічну неоднорідність в зварному з'єднанні, в результаті чого відбуваються місцеві структурні пере- і ворення, і виникають напруження, критичні значення яких можуть призвести до зародження і поширення тріщин.

В зоні термічного впливу (ЗТВ) процеси структуроутворення ишчайно відповідають основним положенням теорії фазових пере- і порень при термічній обробці сталей. Однак, метал ЗТВ нагріва

ється з дуже великою швидкістю до значно високих температур (аж до температури плавлення), що обумовлює незавершеність процесу аустенізації і сприяє росту зерна, а перетворення аустеніту йде в умовах безперервного охолодження при змінах внутрішніх деформацій. Така специфіка зварювального циклу змінює структуру і властивості ЗТВ не в кращому напрямку (порівняно з вихідним станом), і стає необхідним вивчати окремо фазові перетворення, що відбуваються в сталях в умовах зварювання.

Вплив процесу зварювання на основний метал прийнято оцінювати термічними циклами зварювання. Для цього М.М. Рикалі- ним і його школою розроблені розрахунки теплових процесів для різних умов зварювання, які широко використовуються в наш час.

Характер перетворення, з одного боку, залежить від термічних циклів зварювання, а з другого боку, - від природи самої сталі.

С

Рис. 210. Схеми зварювальних циклів: а) зварювання однопрохідне (1- метал шва, 2- пришовна зона, 3- зона термічного впливу); б) зварювання багатопрохідне.

хеми термічних циклів металу шва і навколошовної зони приведені на рис. 210,а. Для металу шва (крива 1) характерними є високе перегрівання і короткочасність існування рідкої зварювальної ванни з послідуючим швидким охолодженням закристалізованого металу.

Для більшості зварних з'єднань найбільш важливою є ділянка зони термічного впливу, розташована безпосередньо поблизу межі сплавлення. Вона розігрівається до температур, близьких до температур плавлення (Тпл) і називається пришовною зоною. Ця зона визначає властивості зварних з'єднань і тому вивчається особливо (крива 2).

Її основними параметрами являються:

• максимальна температура нагріву Ттах;

• швидкість нагріву

• тривалість перебування при нагріві і охолодженні вище температури початку інтенсивного росту зерна Тп.і.р., (Г і і");

• швидкість охолодження \Уох в інтервалі температур фазового перетворення аустеніту під час охолодження.

Звичайно для вуглецевих і низьколегованих сталей найбільш важливою є швидкість охолодження при 600-450°С. В окремих випадках за характеристику умов охолодження під час зварювання приймають час охолодження в інтервалі 800-500°С (І&б). На кривих охолодження для різних ділянок зони термічного впливу (ЗТВ) величини \Уох і І&з завжди співпадають.

В 'залежності від способів і умов зварювання параметри іермічного циклу зварювання змінюються у вельми широких границях (таблиця 12). На рис 211 показані термічні цикли пришовної зони при однопрохідному зварюванні плавленням листів встик різної товщини (дані М.Х.Шоршорова і В.В.Бєлова). Як видно із графіків, параметри термічних циклів цієї зони значно змінюються в іалежності від товщини основного металу. Так, при збільшенні товщини листів від 1 мм (аргоно-дугове зварювання) до 220мм (елек- ірошлакове зварювання) швидкість нагрівання ТУ_Н пришовної зони поблизу точки Ас з (900°С) змінюється від 1700 до 3°С/с; сумарна гривалість (Ґ+П знаходження металу вище цієї температури змінюється від 1,6 до 540 с., а швидкість охолодження \Уох при температурі найменшої стійкості аустеніту (приблизно 550°С) від 60 до 0,25°С/с.

Найбільш ефективним заходом змінення параметрів термічного циклу при зварюванні являється попередній або супутній підігрів (головним чином для зниження швидкості охолодження з метою зменшення небезпеки загартування). Однак підігрів часто не може бути використаний через швидке зростання зерен, утворення іірпшовних гарячих тріщин або через неможливість його здійснення.

Особливий інтерес представляє порівняння параметрів термічних циклів при однопрохідному зварюванні і термічній обробці і і алей. На рис. 211 показано область нагріву при обробці С.В.Ч. (5) і і рафіки відпалу і загартування низьколегованої сталі (6).

Рис. 211. Зіставлення термічних циклів пришовної зони при однопрохідному зварюванні плавленням низьколегованої сталі різної товщини з термічними циклами при термообробці (заштриховано:) 1 - аргонодугове зварювання (5=1 мм);

2 - дугове зварювання під флюсом (5= 10 мм); 3 - теж саме (5=25 мм);

4 - електрошлакове зварювання (5=220 мм).

З начна різниця існує при порівнянні діапазонів швидкостей нагрівання в інтервалі Лсі-Лс₃ і вище в умовах зварювання і термічної обробки. Так, під час зварювання сталей товщиною 1- 25мм швидкості нагрівання близькі до швидкостей нагрівання СВЧ, але дуже сильно відрізняються від швидкостей нагрівання під час пічної обробки (1-0,1°С/с).

Дуже відрізняються максимальні температури нагрівання: під час зварювання вони близькі до температур плавлення; під час нагрівання СВЧ вони обмежені температурами 950-1200°С, а при звичайних видах термічної обробки вони не перевищують 950-1050°С. Тому слід зауважити, що під час зварювання небезпека інтенсивного росту зерна зростає.

Суттєво відрізняється тривалість перебування металу в аустенітному стані вище Ас₃ (в процесі нагріву Ґ і в процесі охолодження Г). Під час зварювання сталей товщиною 1-25 мм тривалість перебування металу в аустенітному стані може змінюватись від 2 до 100 с, а під час термообробки в печах від десятків хвилин до декількох годин. Під час обробки СВЧ ці параметри сходяться з параметрами зварювання.

Швидкості охолодження після зварювання в температурному інтервалі перетворень аустеніту практично не відрізняються від швидкостей охолодження при термічних обробках.

Ілблиця 12. Порівняння термічних циклів різних видів зварювання і виплавки (В.Н.Земзін і Р.З.Шрон)

Гонщи ка іішріо- ІШСМИХ мета- лів, мм	Спосіб зварю вання (нашив ки)	Погонна енергія, кДж/см	Швид кість нагрі- вання при 900°С, °С/с	Тривалість перебування вище 900°С, с.		Швид кість охолод ження при 500°С, °С/с.	Час охолод ження С.
				при нагріві	при охолодженні
2-10	елек- тронно- промене- вс	1-5	1000- 2000	0,4- 0,7	1,0-2,0	20-60	1-6
3-6	ручне дугове	5-15	150-400	2-8	4-10	10-20	5-15
10-25	дугове під флюсом	40-60	60-240	4-25	10-75	1-5	15-50
50-220	електро шлакове	300-600	3-7	40-160	180-400	0.5- 2,0	300-600
50-220	стрічко ва наплавна	50-120	20-60	20-50	50-120	1-3	50-150

Діапазон змінювання цих параметрів в залежності від товщини металу і способу зварювання може охоплювати як режими загартування, так і відпалу.

Особливості термічного циклу при зварюванні впливають на псі процеси фазової перекристалізації. З одного боку високі швидкості нагрівання і відносно мала тривалість перебування металу вище Лс₃ часто обумовлюють утворення неоднорідного за хімічним складом аустеніту. Це пояснюється тим, що при збільшенні швидкості нагрівання температура початку перетворення перліту в аустеніт підвищується. При цьому за браком часу витримки склад

утвореного аустеніту не встигає вирівнюватись, крім того, залишаються нерозчинені карбіди. На змінювання положення критичних точок при нагріві сильно впливає також вихідна структура сталі, ступінь дисперсності карбідних фаз і надлишковий ферит. З іншого боку високі температури нагріву сприяють інтенсифікації дифузійних процесів, які обумовлюють розчинення карбідів, прискорюють гомогенізацію аустеніту, шо підвищує швидкість росту зерна. В зв'язку з цим ступінь гомогенізації аустеніту і інтенсивність росту зерна в залежності від різних умов зварювання, і навіть в умовах одного процесу зварювання, але в різних ділянках металу високотемпературної області ЗТВ, може змінюватись в дуже широких діапазонах.

Крім максимальної температури нагріву на ріст зерна впливає сумарна тривалість перебування металу при температурах вище Ас₃ (і'-К").Цей параметр залежить від термічних умов зварювання (температури нагріву і величини погонної енергії). В сталях, які містять сильні карбідоутворюючі елементи, збільшення розміру зерна може відбуватися лише при нагріві до 1200-1250°С і вище, при яких особливо інтенсифікуються процеси розчинення карбідів. Окрім режимів нагріву, на ріст зерна має значний вплив вихідний структурний стан сталі і її природа. Як для сталей вуглецевих, так і для сталей легованих (які містять карбідоутворюючі елементи), однорідність аустеніту, що утворюється в ЗТВ під час нагрівання, залежить від умов зварювання: чим менша швидкість нагріву, тим нижча температура, котрій відповідає ділянка найбільшої однорідності. З підвищенням максимальних температур (тобто з наближенням до межі сплавлення) однорідність аустеніту зростає, але в найбільш високотемпературній ділянці пришовної зони вона знову знижується (розвивається неоднорідність по вуглецю легуючих елементах внаслідок локальних утвореннях фериту, часткового оплавлення меж зерен, формування вторинних меж тощо).

Таким чином, під впливом термічного циклу при зварюванні в зоні термічного впливу може змінюватись як механізм, так і кінетика розпаду аустеніту при охолодженні. Це є однією з причин того, що навіть в умовах повільного охолодження структура зварних з'єднань відрізняється від структури основного металу. В результаті зміни структури змінюються механічні властивості і часто не в кращому напрямку. Формування структури металу шва при охолодженні іллежить від хімічного складу наплавки, величини зерна і швидкості охолодження. Структура зони термічного впливу утворюється одно- часно із структурою шва і, якщо зварюють сталі з поліморфними перетвореннями (перлітного або мартенситного класів), то в ЗТВ завжди можна спостерігати ділянки повної і неповної перекрис- іалізації, ріст зерна і утворення нерівноважних структур після прискореного охолодження.

Крім того, структура в пришовній зоні зварного з'єднання формується в особливих умовах впливу на метал як термічного, так і деформаційного циклів. Це обумовлює появу напруженого стану, який супроводжується пружними і пластичними деформаціями, котрі можуть учинили певний вплив на проходження фізико-хімічних процесів,і структуру зварного з'єднання. Процеси високо- і низькотемпературної пластичної деформації впливають на структуру і вла- і' гивості як металу шва, так і зони термічного впливу. Вони можуть супроводжуватись процесами динамічної полігонізацїї й рекристалізації, які також призводять до суттєвих змін структури і властивостей металу.

Руйнування зварних з'єднань найчастіше відбувається саме в зоні термічного впливу. Тому природно, що головний інтерес для оцінки зварюваності сталей представляє вивчення будови цієї зони після різних термодеформаційних циклів зварювання.