Література

1. Алаи С.И. Технология конструкционных материалов. – М.: Просвещение, 1980. – 303 С.

2. Кнорозов Б.В. Технология металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 645 С.

3. Самохоцкий А.И. Лабораторные работы по металловедению термической обработке металлов. – М.: Машиностроение, 1981. – 175 С.

4. Рудик Д.Ф. Технологія металів та інших конструкційних матеріалів. – К.: Вища школа, 1975. -156 С.

Завдання до роботи

1. Вивчіть правила техніки безпеки при термо-обробці металів.

2. Проведіть гартування та відпуск виданих викла-дачем зразків сталі.

3. Складіть звіт по роботі:

а) замалюйте стальну частину діаграми та вкажіть зони нагріву всіх видів термічної обробки.

б) заповніть звітну таблицю.

Додаток для самостійної роботи Нагрів сталей для термічної обробки

Передача тепла тілу, як відомо здійснюється трьома способами: випромінюванням (в муфельних печах), конвекцією (разом з випромінюванням - в полум’яних печах) і за рахунок теплопередачі (при нагріві в розплав-лених солях, свинцю і в рідинах, де частково має місце і конвекція).

Випромінюванням тіло нагрівається як від стінок печі, так і від полум’я, причому полум’я випромінюванням передає значно більше тепла, ніж теплопередачею. У процесі нагріву треба звертати увагу на дві сторони: досягнення поверхнею тіла температури печі або близької до неї і вирівнювання температури в середині тіла. Остання залежить від теплопровідності, теплоємкості і густини тіла, тобто від його температуропровідності, від його товщини і способу нагрівання (з однієї, двох чи з усіх сторін). Якщо температура поверхні тіла залишається постійною, то час необхідний для вирівнювання його середини змінюється пропорційно квадрату його товщини.

Для практики термічної обробки важливо не те з якою швидкістю можна нагріти тіло, а те з якою швидкістю його треба нагрівати. При відповіді на це питання беруть до уваги продуктивність виробництва, конструкцію печей, вартість палива, з однієї сторони, і якість результатів термообробки (величина внутрішніх напруг, короблення, поява тріщин, розвиток процесів перекристалізації), з іншої сторони.

При нагріванні тіла враховують, що теплопровідність сталі залежить від температури. Підвищення температури приводить до зниження теплопровідності. Так, тепло-провідність м’якої вуглецевої сталі (0,1% С) при 100°С дорівнює 45,8, а при 900°С – 28,8, те ж для високо-вуглецевої сталі (1,0 % С) відповідно 37,8 і 28,8.

Крім того різні сталі в певних інтервалах температур мають підвищену твердість і міцність і понижену в’язкість. Так, м’яка вуглецева сталь має мінімальне відносне видовження при 150°С, мінімальний опір удару при 480°С і найбільшу твердість при 300°С. При нагріві сталі в цих інтервалах температур розвиваються внутрішні напруги, які можуть створити місцеві пластичні деформації і навіть тріщини.

До появи значних внутрішніх напруг може привести також нерівномірний підвід тепла з різних сторін деталі. Тому при інших рівних умовах зразки сталі можуть нагріватись з тим більшою швидкістю чим рівномірніше до неї підводиться тепло з усіх сторін. Близькі до рівномірних створюються умови при нагріванні тіл в індукційних печах.

При нагріві до високих температур поверхня сталі зазнає значного впливу. Перш за все поверхня сталі окислюється, що спричинює утворення окалини. Наявність окалини на поверхні виробу приводить до нерівномірного гартування його частин. Крім того вона дуже заважає подальшій механічній обробці деталей – зношує ріжучий інструмент.

Нагрівання спричиняє також зниження вмісту вугле-цю в поверхні стального виробу, що дуже впливає на поверхневу твердість, а значить й зносостійкість. З іншого боку поверхня металу насичується киснево-сірчаними неметалічними включеннями, що знижує міцність деталі чи виробу.

Дослідження показують, що гази і водяна пара, які є продуктами горіння палива (С02, Н2О) окислюють залізо значно більше ніж чистий кисень, а значить і повітря. Чим вища температура нагріву, тим швидше протікає окислення заліза.

Степінь зниження вуглецю на поверхні та глибина його вигорання збільшується з підвищенням температури нагріву сталі. Чим більше вуглецю у сталі, тим у більшій мірі і глибше він вигорає. Відновлювальні газові середо-вища, які не утворюють або слабо утворюють окалину, дають найбільше зниження вуглецю.

Нейтральними технічними газами до поверхневого зниження вуглецю в сталі є хімічно чистий азот і суміші з воднем окису вуглецю або метану. Тому нагрівання сталі з утворенням окалини в окислювальних пічних газах більш приємлимо, ніж нагрівання в нейтральних газах, які запо-бігають утворенню окалини, але зменшують кількість вуглецю в її поверхні.

При нагріванні механічно оброблених стальних виробів з високовуглецевих сталей у соляних ваннах, які не містять ціаністих солей, у поверхні виробу теж зменшу-ється кількість вуглецю. Практика показує, що уникнути вигорання вуглецю можна, якщо у ванну добавити біля 2% порошкоподібного феросиліцію.

Температуру нагріву стальних виробів встановлюють за діаграмою залізо-цементит. Доевтектоїдні сталі при гартуванні нагрівають на 30-50°С вище лінії А3, а заевтектоїдні – на 30-50°С вище лінії А1. Більш точно температуру нагріву можна встановити за таблицею 10.1

Час витримки після прогріву сталі незначний (1-2 хвилини). Цього достатньо щоб завершились пере-творення в ній. Однак на практиці в більшості випадків час витримки встановлюють з досвіду, дещо збільшуючи його, щоб бути впевненим у повному прогріві виробу по всій товщині. Чим більший за розмірами виріб, тим більше додають часу для прогріву.

Таблиця 6.1

С	Межі нагріву
	Для гартування	Відпал І і ІІ роду	Нормалізація	Для ковки
0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90 1,00 1,20 1,30 1,50	- 850-860 800-820 770-790 750-770 740-760 740-760 740-760 740-760 740-760	900-916 850-860 800-820 770-790 750-770 740-760 740-760 740-760 740-760 740-760	920-950 870-885 830-855 800-820 780-800 770-785 830-855 900-930 920-950 950-1000	1200 1150 1150 1100 1000 1000 950 950 950 950

Наприклад, вироби з вуглецевої сталі діаметром біля 25 мм витримують півгодини, а якщо діаметр 100 мм – до півтори години. Особливо витримка впливає на цементит, чим більші зерна цементиту тим довша повинна бути витримка сталі.

При гартуванні сталі вирішальне значення має швидкість охолодження, особливо, що стосується масив-них виробів та виробів складної форми.

При великій товщині виробу часто стає неможливим дотриматися необхідної швидкості охолодження. У результаті внутрішні зони не отримують мартенситну структуру. У таких випадках можна скористатись тим, що деякі домішки сприяють зниженню швидкості охолод-ження.

Наприклад, наявність у звичайній сталі декількох десятих відсотків марганцю значно знижує необхідну

швидкість охолодження при гартуванні.

Швидкість охолодження при гартуванні забезпечує охолоджуюче середовище. Охолоджувач буде діяти тим ефективніше:

1. чим нижче його температура;

2. чим більше теплота його випаровування, тепло-провідність та теплоємність;

3. чим менше його в’язкість;

4. чим більший об’єм охолоджувача;

5. чим більше відносна швидкість взаємного контакт-ного переміщення рідини по виробу або навпаки.

Серйозним фактором, який затримує охолодження сталі при гартуванні є парова оболонка (сорочка), яка утворюється навколо зразка. Позбутися її частково чи повністю можна або переміщенням зразка в охолоджую-чому середовищі, або застосуванням циркулюючого середовища. На практиці використовуються два вище названі способи. Всі охолоджувачі, по ефективності їх дій можна розділити на чотири групи:

1. дуже діючі охолоджувачі – розчин у холодній воді 5% NaOH або 2% КFе (СN6)3Н2О, чи, наприклад, 15% повареної солі;

2. середньодіючі охолоджувачі – розчин у холодній воді натрієвого силікату або водний розчин гліцерину та мильної води;

3. помірний охолоджувач – рослинні та мінеральні масла, мазут та ін.

4. слабодіючий охолоджувач – струмінь сухого повітря, струмінь повітря, яке змішане з парою або розпиленою водою, розплавлений свинець 330-500ºС, або його сплави, вода при 80-95ºС.

Про основні показники охолоджуючих середовищ можна дізнатися з таблиці 10.2

Таблиця 6.2. Фізичні властивості охолоджувачів

Рідина	Густина при 15 ºС	Теплопровідність	Температура кипіння, ºС	Температура загорання, ºС	Температура затвердівання, ºС	В’язкість при 50 ºС по Енглеру	Теплоємність при 15 ºС	Повна теплота випаровування 1 г рідини
Вода Сурепне масло Машинне Л Веретенне З Легке дерев-не масло Важке дере-вне масло Олеїнова кислота Торф’яне масло Мазут марки А	1,0 0,915 0,905 0,895 0,980 1,00 0,900 1,015 0,916	1,5·10-3 5,3·10-4 2,5·10-4 2,5·10-4 - 3,9·10-4 - 5,3·10-4 -	100 375 330 330 85 140 295 120 -	- 260 183 177 52 104 183 81 121	0 -16 -10 -15 - - - - -	1,0 3,8 4,4 3,2 1,1 1,9 2,7 2,0 4,5	1 0,52 0,464 0,480 0,50 0,546 0,68 0,55 -	576 290 260 260 254 244 244 243 -

Крім повного і неповного можуть бути різні особливі види гартування:

1. Гартування через шар масла у воді. Воно дає значне зниження поверхневої твердості виробу. Застосову-ється для виробів з легованих сталей. Знижується імовір-ність утворення тріщин на поверхні виробу.

2. Спосіб гартування у двох середовищах почергово. Спочатку охолоджують у воді, а потім у маслі. У резуль-таті такого гартування утворюється тверда поверхня виробу і більш м’яка середина без значних внутрішніх напруг. Такий спосіб часто використовують для гартування ріжучих інструментів.

3. Для зменшення внутрішніх напруг використо-вують ступеневе й ізотермічне гартування. При цьому виріб нагрівають вище точки А3, швидко охолоджують у термостаті, розплавленому свинці, в розчинах солей або гарячому маслі до температурі, при якій аустеніт тривалий час стійкій. Потім переводять його в мартенсит швидким охолодженням.

4. Поверхневе гартування, при якому гартується тільки поверхня виробу. Особливість цього гартування полягає у виборі методу швидкого нагрівання тільки поверхні виробу. Поверхневий нагрів може здійснюватись струмами високої частоти, газовими горілками та в солевих і свинцевих ваннах.

5. Гартування з самовідпуском – гартування поєд-нується з відпуском. При цьому нагрітий виріб виймають з охолоджувача при температурі 200-280°С і залишають повільно охолоджуватись на повітрі.