2.3.2 Гартування

2.3.2.1 Загальні положення

Існує три види гартування:

- гартування з поліморфним перетворенням;

- гартування без поліморфного перетворення;

- гартування з оплавленням поверхні.

Гартування з поліморфним перетворенням (гартування сталі на мартенсит) впродовж століть є основним способом зміцнення сталі, а в даний час застосовується і для гартування сплавів кольорових металів.

Гартування без поліморфного перетворення була вперше застосована на рубежі 20-го століття, і її промислове використовування почалося одночасно із застосуванням алюмінієвих сплавів. Гартування без поліморфного перетворення застосовується для сплавів, що мають змінну розчинність компонентів залежно від температури. У результаті гартування утворюється пересичений твердий розчин, але кристалічні гратки залишаються незмінними.

Гартування з оплавленням поверхні з'явився в 70-х роках минулого століття, коли в промисловості почали використовувати лазерний нагрів.

Гартування сталі – це термічна обробка, яка включає нагрів до температури вище за фазові перетворення, витримку при цій температурі і охолоджування з швидкістю, що перевищує критичну (див.рис.  13). Гартування є зміцнюючою термічною обробкою. Підвищення твердості і міцності забезпечується за рахунок отримання структури мартенситу. Гартування не є остаточною операцією, і після неї обов'язково проводять відпуск.

Результати гартування багато в чому залежать від правильного вибору температури нагріву. Доевтектоїдні сталі для гартування слід нагрівати до температури на 30…50°С вище АС_3. У цьому випадку сталь з початковою структурою перліт + ферит нагрівається до аустенітного стану і при охолоджуванні із швидкістю більше критичної утворюється мартенсит. Таке гартування називається повним.

Неповне гартування здійснюється від температур, які відповідають міжкритичному інтервалу від А_С1 до А_С3, і використовується тільки для листової низьколегованої сталі для отримання структури фериту з невеликими ділянками мартенситу до 20%. Така структура забезпечує достатньо високі механічні властивості і, одночасно, здібність до штампування. У всіх інших випадках неповний гарт доевтектоїдних сталей не використовується, оскільки механічні властивості виходять нижчими в порівнянні з гартуванням від температур вище А_С3.

Заевтектоїдні сталі нагрівають для гартування на 15…20°С вище А_С1. При цих температурах в сталі разом з аустенітом є цементит. Тому після гартування в структурі заевтектоїдних сталей присутні мартенсит з невеликою кількістю залишкового аустеніту і нерозчинені частинки цементиту, що мають високу твердість. Інтервал гартівних температур не повинен перевищувати 15…20^оС, оскільки надмірне підвищення температури гарту викликає інтенсивне зростання зерна, що приводить до зниження міцності й опору крихкому руйнуванню.

Гартування заевтектоїдних сталей, по суті, є неповним. Якщо заевтектоїдну сталь нагрівати для гартування вище А_сm, то її структура складатиметься з крупногольчатого мартенситу з підвищеним вмістом залишкового аустеніту, присутність якого в структурі сталі знижує твердість.

Тривалість нагріву і витримки при гартівній температурі повинна забезпечити прогрівання виробів за перетином і завершення фазових перетворень, але виключити зростання зерна і зневуглецювання поверхневих шарів деталі. У більшості випадків є прийнятним вибір тривалості нагріву з розрахунку 1,5 хв. на 1мм перетину для вуглецевих сталей і 2 хв. на 1мм перетину для легованих сталей. Тривалість витримки складає одну третину від тривалості нагріву.

При визначенні технологічних параметрів процесу гартування необхідно враховувати загартовуваність і прогартовуваність сталі.

Загартовуваність – це здатність сталі підвищувати в процесі гартування свою твердість. Загартовуваність залежить головним чином від вмісту вуглецю в сталі, підвищується при його збільшенні і вважається достатньою при 0,4%С і вище, коли твердість загартованої сталі наближається до 60HRC (рис.  14).

1 – твердість мартенситу; 2 –заевтектоїдна сталь після гартування від температури А_С1  +  20^оС; 3 -твердість заевтектоїдної сталі після гартування від температури А_СМ  + (20…30^оС)

Рисунок 14 - Вплив температури нагріву на твердість при гартуванні

сталі

Прогартовуваність характеризує глибину загартованого шару за даних умов гартування. За глибину загартованого шару умовно приймають відстань від поверхні до напівмартенситної зони (50% мартенситу і 50% трооститу). Діаметр заготівки, в центрі якої після гартування в даному охолоджуючому середовищі утворюється напівмартенситна структура, називається критичним діаметром ( Д_кр). Прогартовуваність зростає при підвищенні стійкості аустеніту, що переохолоджується, і, відповідно, зниженні критичної швидкості гартування.

2.3.2.2 Способи гартування

Охолоджування при гартуванні повинне забезпечити отримання структури мартенситу в межах заданого перетину деталі за відсутності утворення тріщин і деформацій.

Ідеальним охолоджуванням вважається таке, при якому забезпечується висока швидкість охолоджування при температурах якнайменшої стійкості аустеніту для попередження його дифузійного розпаду і повільне охолоджування в інтервалі мартенситного перетворення з метою зменшення гартівних напруг (рис.  15).

1 – гартування у воді; 2 – ступінчасте гартування;3 – ідеальне охолоджування; 4 – гартування в мастилі;5 – ізотермічне гартування;