Chłodzenie podczas hartowania. Wytyczne do zajęć w dyscyplinie „Nauka o materiałach i materiałoznawstwie twardym” Szybkość chłodzenia stali w stopniach powietrza. Wyznaczanie szybkości chłodzenia podczas hartowania stali

8 września 2011

Tryb chłodzenia podczas hartowania musi przede wszystkim zapewniać wymaganą głębokość hartowania. Z drugiej strony reżim chłodzenia musi być taki, aby nie nastąpiło silne hartowanie, prowadzące do wypaczenia produktu i powstania pęknięć hartowniczych.

Naprężenia hartownicze obejmują naprężenia termiczne i strukturalne. Podczas utwardzania zawsze występuje różnica temperatur w przekroju poprzecznym produktu. Różna wielkość kompresji termicznej warstwy zewnętrznej i wewnętrznej w okresie chłodzenia powoduje powstawanie naprężeń termicznych.

Transformacja martenzytyczna wiąże się ze wzrostem objętości o kilka procent. Warstwy powierzchniowe osiągają punkt martenzytyczny wcześniej niż rdzeń produktu. Przemiana martenzytyczna i związany z nią wzrost objętości nie zachodzą jednocześnie w różnych punktach przekroju wyrobu, co prowadzi do powstawania naprężeń konstrukcyjnych.

Całkowite naprężenia hartownicze rosną wraz ze wzrostem temperatury ogrzewania w celu hartowania i wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia, ponieważ w obu przypadkach wzrasta różnica temperatur w przekroju poprzecznym produktu. Wzrost różnicy temperatur prowadzi do wzrostu naprężeń termicznych i konstrukcyjnych.

W przypadku stali naprężenia hartownicze najprawdopodobniej wystąpią w zakresie temperatur poniżej temperatury martenzytu, kiedy pojawiają się naprężenia strukturalne i tworzy się faza krucha – martenzyt. Powyżej punktu martenzytycznego występują jedynie naprężenia termiczne, stal jest w stanie austenitycznym, a austenit jest plastyczny.

Jak pokazuje diagram C, w obszarze najmniejszej stabilności przechłodzonego austenitu konieczne jest szybkie chłodzenie. W przypadku większości stali zakres ten mieści się w zakresie 660–400°C. Powyżej i poniżej tego zakresu temperatur austenit jest znacznie bardziej odporny na rozkład niż w pobliżu zagięcia krzywej C, a przedmiot obrabiany można chłodzić stosunkowo wolno.

Szczególnie ważne jest powolne chłodzenie, zaczynając od temperatur 300 - 400°C, przy których w większości stali tworzy się martenzyt. Przy powolnym chłodzeniu powyżej zakrętu krzywej C zmniejszają się jedynie naprężenia termiczne, natomiast w zakresie martenzytycznym zmniejszają się zarówno naprężenia termiczne, jak i strukturalne.

Najszerzej stosowanymi mediami hartującymi są zimna woda, 10% wodny roztwór NaOH lub NaCl oraz oleje.

Szybkość chłodzenia stali w różnych środowiskach

Tabela pokazuje szybkości chłodzenia małych próbek stali w dwóch zakresach temperatur dla różnych środowisk. Jak dotąd nie znaleziono cieczy hartującej, która schładzałaby się szybko w zakresie temperatur perlitu i wolno w zakresie temperatur martenzytycznych.

Zimna woda- najtańsza i najbardziej energetyczna chłodnica. Szybko się ochładza zarówno w zakresie temperatur perlitu, jak i martenzytu. Wysoką zdolność chłodzenia wody tłumaczy się jej niską temperaturą i ogromnym ciepłem wrzenia, niską lepkością i stosunkowo dużą pojemnością cieplną.

Dodatki soli lub alkaliów zwiększają zdolność chłodzenia wody w zakresie perlitu.

Główna wada wody— duża szybkość chłodzenia w zakresie martenzytycznym.

Olej mineralny stygnie powoli w zakresie martenzytycznym (to jest jego główna zaleta), ale też wolno stygnie w zakresie perlitu (jest to jego główna wada). Dlatego olej stosuje się do hartowania stali o dobrej hartowności.

Podgrzana woda nie może zastąpić oleju, ponieważ ogrzewanie gwałtownie zmniejsza szybkość chłodzenia w przedziale perlitowym, ale prawie jej nie zmienia w przedziale martenzytycznym.

„Teoria obróbki cieplnej metali”,
I.I.Novikov

Ponieważ nie ma ośrodka utwardzającego, który zapewniałby szybkie chłodzenie w zakresie temperatur 650 - 400°C oraz powolne chłodzenie powyżej i głównie poniżej tego zakresu, stosuje się różne metody hartowania w celu zapewnienia niezbędnego reżimu chłodzenia. Hartowanie przez wodę do oleju Hartowanie przez wodę do oleju (hartowanie w dwóch środowiskach): 1 - tryb normalny;...

W wielu stalach zakres martenzytyczny (Mn - Mk) rozciąga się do temperatur ujemnych (patrz rysunek Zależność od temperatury). W tym przypadku hartowana stal zawiera austenit szczątkowy, który można dalej przekształcić w martenzyt poprzez schłodzenie produktu do temperatur poniżej temperatury pokojowej. Zasadniczo ta obróbka zimnem (zaproponowana w 1937 r. przez A.P. Gulyaeva) stanowi kontynuację chłodzenia wygaszającego, które zostało przerwane w temperaturze pokojowej...

Wiele produktów musi mieć wysoką twardość powierzchni, wysoką wytrzymałość warstwy powierzchniowej i wytrzymały rdzeń. To połączenie właściwości na powierzchni i wewnątrz produktu uzyskuje się poprzez utwardzanie powierzchniowe. Aby utwardzić powierzchniowo wyrób stalowy, należy nagrzać powyżej punktu Ac3 tylko warstwę wierzchnią o zadanej grubości. To ogrzewanie musi odbywać się szybko i intensywnie, aby rdzeń ze względu na przewodność cieplną również nie nagrzał się do...

Przez nagrzewanie w celu hartowania. Przemiany stali podczas nagrzewania opisano w części Tworzenie się austenitu podczas nagrzewania. Temperatury nagrzewania do hartowania stali węglowych można dobierać według diagramu stanu. Stale podeutektoidalne utwardza ​​się w temperaturach przekraczających punkt A3 o 30 - 50°C. Stal drobnoziarnista z natury umożliwia wyższe ogrzewanie. Kiedy dziedzicznie gruboziarnista stal ulega przegrzaniu, hartowanie daje strukturę gruboigłową...

Hartowność i krytyczna szybkość chłodzenia Podczas hartowania do martenzytu stal należy schłodzić od temperatury hartowania, tak aby austenit bez czasu na rozkład do mieszaniny ferryt-węglik został przechłodzony poniżej punktu Mn. Aby to zrobić, szybkość chłodzenia produktu musi być wyższa niż krytyczna. Krytyczna szybkość chłodzenia (krytyczna szybkość hartowania) to minimalna prędkość, przy której austenit nie rozkłada się jeszcze na...

Obróbka cieplna stali pozwala na nadanie produktom, częściom i przedmiotom wymaganych właściwości i właściwości. W zależności od etapu, na którym przeprowadzono obróbkę cieplną, zwiększa się obrabialność detali, naprężenia własne są usuwane z części, a detale zwiększają się wydajność.

Technologia obróbki cieplnej stali to zespół procesów: nagrzewania, przetrzymywania i chłodzenia, których celem jest zmiana wewnętrznej struktury metalu lub stopu. W tym przypadku skład chemiczny nie ulega zmianie.

A więc sieć molekularna Stal węglowa w temperaturze nie wyższej niż 910°C jest to sześcian skupiony w ciele. Po podgrzaniu powyżej 910°C do 1400°C siatka przyjmuje kształt sześcianu wyśrodkowanego na ścianie. Dalsze ogrzewanie powoduje, że sześcian staje się sześcianem skupionym na ciele.

Istotą obróbki cieplnej stali jest zmiana wielkości ziaren struktury wewnętrznej stali. Ścisłe przestrzeganie reżim temperaturowy, czas i prędkość na wszystkich etapach, które bezpośrednio zależą od ilości węgla, pierwiastków stopowych i zanieczyszczeń obniżających jakość materiału. Podczas ogrzewania zachodzą zmiany strukturalne, które po ochłodzeniu zachodzą w odwrotnej kolejności. Na rysunku pokazano, jakie przemiany zachodzą podczas obróbki cieplnej.

Cel obróbki cieplnej

Obróbkę cieplną stali przeprowadza się w temperaturach bliskich punktom krytycznym. Oto, co się dzieje:

• wtórna krystalizacja stopu;
• przejście żelaza gamma do stanu żelaza alfa;
• przejście dużych cząstek w płytki.

Wewnętrzna struktura mieszaniny dwufazowej wpływa bezpośrednio na wydajność i łatwość przetwarzania.

Głównym celem obróbki cieplnej jest nadanie stalom:

• W gotowych produktach:
  1. wytrzymałość;
  2. odporność na zużycie;
  3. odporność na korozję;
  4. wytrzymałość cieplna.

• W pustych miejscach:
  1. ulga w wewnętrznym stresie po
     • odlew;
     • tłoczenie (na gorąco, na zimno);
     • głębokie rysowanie;
  2. zwiększona plastyczność;
  3. ułatwiający cięcie.

Obróbce cieplnej poddawane są następujące rodzaje stali:

1. Węglowe i stopowe.
2. O różnej zawartości węgla, od niskoemisyjnej 0,25% do wysokowęglowej 0,7%.
3. Strukturalne, specjalne, instrumentalne.
4. Dowolna jakość.

Klasyfikacja i rodzaje obróbki cieplnej

Podstawowymi parametrami wpływającymi na jakość obróbki cieplnej są:

• czas nagrzewania (prędkość);
• temperatura ogrzewania;
• czas utrzymywania w danej temperaturze;
• czas chłodzenia (intensywność).

Zmieniając te tryby, można uzyskać kilka rodzajów obróbki cieplnej.

Rodzaje obróbki cieplnej stali:

• Wyżarzanie
  1. Ja – miły:
     • homogenizacja;
     • rekrystalizacja;
     • izotermiczny;
     • usuwanie naprężeń wewnętrznych i szczątkowych;
  2. II – rodzaj:
     • pełny;
     • niekompletny;

• Hartowanie;
• Wakacje:
  1. krótki;
  2. przeciętny;
  3. wysoki.

• Normalizacja.

Wakacje

Odpuszczanie w budowie maszyn stosuje się w celu zmniejszenia wytrzymałości naprężeń wewnętrznych powstających podczas hartowania. Wysoka twardość powoduje, że produkty są kruche, dlatego odpuszczanie stosuje się w celu zwiększenia udarności oraz zmniejszenia twardości i kruchości stali.

1. Urlop jest krótki

Niskie odpuszczanie charakteryzuje się wewnętrzną strukturą martenzytu, która nie zmniejszając twardości, zwiększa lepkość. Tej obróbce cieplnej poddawane są narzędzia pomiarowe i skrawające. Tryby przetwarzania:

• Ogrzewanie do temperatury 150°C, ale nie wyższej niż 250°C;
• trzymanie - półtorej godziny;
• chłodzenie - powietrze, olej.

2. Przeciętny urlop

Do odpuszczania średniego, przemiana martenzytu w trostyt. Twardość spada do 400 HB. Zwiększa się lepkość. Części pracujące pod znacznymi obciążeniami sprężystymi poddawane są temu odpuszczaniu. Tryby przetwarzania:

• ogrzewanie do temperatury 340°C, ale nie wyższej niż 500°C;
• chłodzenie - powietrze.

3. Wysokie uwalnianie

Przy wysokim odpuszczaniu sorbitol krystalizuje, co eliminuje naprężenia w sieci krystalicznej. Produkowane są krytyczne części, które charakteryzują się wytrzymałością, ciągliwością i wytrzymałością.

Tryby przetwarzania:

Nagrzewanie do temperatury 450°C, ale nie wyższej niż 650°C.

Wyżarzanie

Zastosowanie umożliwia uzyskanie jednorodnej struktury wewnętrznej bez naprężeń w sieci krystalicznej. Proces odbywa się w następującej kolejności:

• ogrzewanie do temperatury nieco powyżej punktu krytycznego, w zależności od gatunku stali;
• trzymanie przy utrzymaniu stałej temperatury;
• powolne schładzanie (zwykle chłodzenie następuje razem z piecem).

1. Homogenizacja

Homogenizacja, inaczej zwana wyżarzaniem dyfuzyjnym, przywraca nierównomierną segregację odlewów. Tryby przetwarzania:

• ogrzewanie do temperatury od 1000°C, ale nie wyższej niż 1150°C;
• ekspozycja – 8-15 godzin;
• chłodzenie:
  • piekarnik – do 8 godzin, obniżenie temperatury do 800°C;
  • powietrze.

2. Rekrystalizacja

Rekrystalizację, inaczej wyżarzanie niskie, stosuje się po obróbce odkształcenia plastycznego, która powoduje hartowanie poprzez zmianę kształtu ziaren (hartowanie). Tryby przetwarzania:

• ogrzewanie do temperatury powyżej temperatury krystalizacji o 100°C-200°C;
• przetrzymanie – ½ – 2 godziny;
• chłodzenie jest powolne.

3. Wyżarzanie izotermiczne

Stale stopowe poddaje się wyżarzaniu izotermicznemu w celu spowodowania rozkładu austenitu. Tryby obróbki cieplnej:

• ogrzewanie do temperatury 20°C - 30°C powyżej punktu;
• trzymać;
• chłodzenie:
  • szybka – nie niższa niż 630°C;
  • wolno – w dodatnich temperaturach.

4. Wyżarzanie w celu wyeliminowania naprężeń

Następnie stosuje się usuwanie naprężeń wewnętrznych i szczątkowych poprzez wyżarzanie prace spawalnicze, odlewanie, obróbka skrawaniem. Przy zastosowaniu obciążeń roboczych części ulegają zniszczeniu. Tryby przetwarzania:

• nagrzanie do temperatury – 727°C;
• przetrzymywanie - do 20 godzin w temperaturze 600°C - 700°C;
• chłodzenie jest powolne.

5. Całkowite wyżarzanie

Wyżarzanie pełne umożliwia uzyskanie struktury wewnętrznej o drobnych ziarnach, która zawiera ferryt i perlit. Wyżarzaniu całkowitemu podlegają odlewy, kucia i tłoczenia, które następnie poddawane są obróbce poprzez cięcie i hartowaniu.

Tryby przetwarzania:

• temperatura nagrzewania – 30°C-50°C powyżej punktu;
• fragment;
• chłodzenie do 500°C:
  • stal węglowa – spadek temperatury na godzinę nie przekracza 150°C;
  • stal stopowa – spadek temperatury na godzinę nie przekracza 50°C.

6. Niecałkowite wyżarzanie

Przy niepełnym wyżarzaniu perlit lamelowy lub gruboziarnisty przekształca się w strukturę ziaren ferrytowo-cementytową, niezbędną do spoin wytwarzanych metodą spawania łukiem elektrycznym, a także stali narzędziowych i części stalowych poddawanych metodom przetwarzania, których temperatura nie powoduje rozrostu ziaren Struktura wewnętrzna.

Tryby przetwarzania:

• ogrzewanie do temperatury powyżej punktu lub powyżej 700°C o 40°C - 50°C;
• utwardzanie – około 20 godzin;
• chłodzenie jest powolne.

Hartowanie

Stale wykorzystuje się do:

• Promocje:
  1. twardość;
  2. wytrzymałość;
  3. odporność na zużycie;
  4. elastyczny limit;

• Zniżki:
  1. plastyczność;
  2. moduł ścinania;
  3. granica kompresji.

Istotą hartowania jest najszybsze ochłodzenie dokładnie nagrzanej części w różnych środowiskach. Ogrzewanie przeprowadza się ze zmianami polimorficznymi i bez nich. Zmiany polimorficzne są możliwe tylko w tych stalach, które zawierają pierwiastki zdolne do transformacji.

Stop taki podgrzewa się do temperatury, w której zmienia się sieć krystaliczna pierwiastka polimorficznego, przez co zwiększa się rozpuszczalność materiałów stopowych. Wraz ze spadkiem temperatury siatka zmienia strukturę pod wpływem nadmiaru pierwiastka stopowego i przyjmuje strukturę igłową.

Niemożność zmian polimorficznych podczas ogrzewania wynika z ograniczonej rozpuszczalności jednego składnika w drugim przy dużej szybkości chłodzenia. Niewiele jest czasu na dyfuzję. W rezultacie otrzymujemy roztwór z nadmiarem nierozpuszczonego składnika (metastabilny).

Aby zwiększyć szybkość chłodzenia stali, stosuje się następujące media:

• woda;
• wodne roztwory solanki;
• olej techniczny;
• gazy obojętne.

Porównując szybkość chłodzenia wyrobów stalowych w powietrzu, chłodzenie w wodzie od 600°C następuje 6 razy szybciej, a od 200°C w oleju 28 razy szybciej. Rozpuszczone sole zwiększają zdolność utwardzania. Wadą stosowania wody jest pojawienie się pęknięć w miejscach powstawania martenzytu. Olej techniczny używany do hartowania stopów stopowych, ale przykleja się do powierzchni.

Metale stosowane do produkcji wyrobów medycznych nie powinny mieć warstwy tlenków, dlatego chłodzenie następuje w środowisku rozrzedzonego powietrza.

Aby całkowicie pozbyć się austenitu powodującego dużą kruchość stali, wyroby poddawane są dodatkowemu chłodzeniu w temperaturach od -40°C do -100°C w specjalnej komorze. Można także użyć kwasu węglowego zmieszanego z acetonem. Obróbka ta zwiększa dokładność części, ich twardość i właściwości magnetyczne.

Jeżeli części nie wymagają objętościowej obróbki cieplnej, za pomocą instalacji HDF (prądu wysokiej częstotliwości) nagrzewana jest jedynie warstwa wierzchnia. W tym przypadku głębokość obróbki cieplnej wynosi od 1 mm do 10 mm, a chłodzenie następuje w powietrzu. W rezultacie warstwa wierzchnia staje się odporna na zużycie, a środek jest lepki.

Proces hartowania polega na nagrzewaniu i utrzymywaniu wyrobów stalowych w temperaturze dochodzącej do około 900°C. W tej temperaturze stale o zawartości węgla do 0,7% mają strukturę martenzytyczną, która podczas późniejszej obróbki cieplnej przekształci się w wymaganą strukturę o wyglądzie pożądanych właściwości.

Normalizacja

Tworzy drobnoziarnistą strukturę. Dla stali niskowęglowych jest to struktura ferrytowo-perlitowa, dla stali stopowych jest to struktura przypominająca sorbitol. Uzyskana twardość nie przekracza 300 HB. Stale walcowane na gorąco poddawane są normalizacji. Jednocześnie zwiększają:

• odporność na pękanie;
• wydajność przetwarzania;
• wytrzymałość;
• lepkość.

Tryby przetwarzania:

• ogrzewanie następuje do temperatury 30°C-50°C powyżej punktu;
• utrzymanie w zadanym zakresie temperatur;
• chłodzenie - na świeżym powietrzu.

Korzyści z obróbki cieplnej

Obróbka cieplna stali jest proces technologiczny, co stało się obowiązkowym krokiem w uzyskiwaniu zestawów części ze stali i stopów o określonych właściwościach. Można to osiągnąć za pomocą szerokiej gamy trybów i metod ekspozycji termicznej. Obróbkę cieplną stosuje się nie tylko stali, ale także metali nieżelaznych i stopów na ich bazie.

Stale bez obróbki cieplnej stosuje się wyłącznie do budowy konstrukcji metalowych i produkcji części niekrytycznych, których żywotność jest krótka. Nie ma wobec nich żadnych dodatkowych wymagań. Natomiast codzienna eksploatacja narzuca bardziej rygorystyczne wymagania, dlatego preferowane jest zastosowanie obróbki cieplnej.

W stalach nieobrobionych termicznie zużycie ścierne jest duże i proporcjonalne do własnej twardości, która zależy od składu pierwiastków chemicznych. Dzięki temu niehartowane matryce matrycowe dobrze łączą się podczas pracy z hartowanymi stemplami.

Czas czytania: 8 minut.

Obróbka cieplna metalu zmienia jego właściwości. Hartowanie stali czyni ją twardszą i mocniejszą. W niektórych przypadkach przeprowadza się obróbkę cieplną w celu rozdrobnienia ziarna i wyrównania struktury. Prosta technologia ogrzewanie i szybkie chłodzenie małych części można wykonać w domu. Do hartowania konieczna jest znajomość gatunku stali i temperatury jej ogrzewania.

Hartowanie stali

Co to jest hartowanie metali?

Jednym z rodzajów obróbki cieplnej jest hartowanie metali. Składa się z kilku etapów wykonywanych w określonej kolejności:

1. Podgrzewanie metalu do określonej temperatury. Czas oczekiwania na wyrównanie na całej głębokości części.
2. Szybkie chłodzenie.
3. Odpuszczanie w celu odprężenia i skorygowania twardości do określonej wartości.

Podczas procesu produkcyjnego złożone części mogą zostać poddane kilku różnym rodzajom hartowania.

W zależności od głębokości obróbki hartowanie dzieli się na dwa typy:

• wolumetryczny;
• powierzchowny.

Zasadniczo w inżynierii mechanicznej stosuje się wolumetryczną obróbkę cieplną, gdy część jest podgrzewana na całej głębokości. W wyniku nagłego ochłodzenia, po zakończeniu obróbki cieplnej, twardość wewnątrz i na zewnątrz różni się zaledwie o kilka jednostek.

Hartowanie powierzchniowe stosuje się w przypadku części, które muszą być twarde z góry i plastyczne w środku. Induktor nagrzewa stal do głębokości 3–20 mm, a bezpośrednio za nim znajduje się rozpylacz, który polewa wodę na gorący metal.

Stal nagrzewa się do stanu austenitu. Każda marka ma swoją własną temperaturę, określoną na podstawie tabeli stanu stopów żelazo-węgiel. Podczas nagłego chłodzenia węgiel pozostaje wewnątrz ziarna i nie przedostaje się do przestrzeni międzykrystalicznej. Transformacja struktury nie ma czasu, a struktura wewnętrzna zawiera perlit i ferryt. Ziarno staje się drobniejsze, sam metal staje się twardszy.

Jakie stale można hartować?

Po podgrzaniu i szybkim schłodzeniu we wszystkich stalach zachodzą wewnętrzne zmiany w strukturze. Twardość wzrasta tylko przy zawartości węgla większej niż 0,4%. St. 35 według GOST ma go 0,32 - 0,4%, co oznacza, że ​​​​może „nagrzać się” - nieznacznie zmienić twardość, jeśli węgiel znajduje się w górnej granicy.

Stale o zawartości węgla począwszy od CT45 i wyższej uważa się za hartowne. Jednocześnie możliwe jest hartowanie stali nierdzewnej o niskiej zawartości węgla typu 3X13. Chrom i niektóre inne pierwiastki stopowe zastępują go w sieci krystalicznej i zwiększają hartowność metalu.

Wysokostopowe stale węglowe zawierają substancje przyspieszające proces chłodzenia i zwiększające zdolność stali do hartowania. Wymagają złożonego, stopniowego układu chłodzenia i odpuszczania w wysokiej temperaturze.

Temperatura i szybkość ogrzewania

Temperatura nagrzewania podczas hartowania wzrasta wraz z zawartością węgla i substancji stopowych w stali. Dla St45 jest to np. 630–650⁰, St 90HF – ponad 800⁰.

Stale wysokowęglowe i wysokostopowe po szybkim nagrzaniu mogą „pękać” - tworzyć małe pęknięcia na powierzchni i wewnątrz. Ogrzewane są w kilku etapach. W temperaturach 300⁰ i 600⁰ przeprowadza się naświetlanie. Oprócz wyrównania temperatury na całej głębokości następuje zmiana strukturalna sieci krystalicznej i przejście do innego rodzaju struktury wewnętrznej.

Właściwości stali po hartowaniu

Po utwardzeniu części zachodzą zmiany strukturalne, które wpływają specyfikacje metal:

• zwiększa twardość i wytrzymałość;
• ziarno maleje;
• elastyczność i ciągliwość maleje;
• wzrasta kruchość;
• zwiększa się odporność na ścieranie;
• odporność na pękanie spada.

Łatwo jest uzyskać wysoką klasę czystości na powierzchni hartowanej części. Surowa stal nie jest polerowana, ciągnie się i ciągnie.

Rodzaje hartowania stali

Główne parametry hartowania stali: temperatura nagrzewania i szybkość chłodzenia. Zależą one całkowicie od gatunku stali - zawartości węgla i substancji stopowych.

Hartowanie w jednym środowisku

Podczas hartowania stali środowisko określa szybkość chłodzenia. Największą twardość uzyskuje się poprzez zanurzenie części w wodzie. W ten sposób można nagrzewać średniowęglowe stale niskostopowe i niektóre stale nierdzewne.

Jeśli metal zawiera więcej niż 0,5% węgla i pierwiastków stopowych, wówczas po schłodzeniu w wodzie część pęknie - pokryje się pęknięciami lub całkowicie się zapadnie.

Stale wysokostopowe zwiększają swoją twardość nawet po ochłodzeniu na powietrzu.

Podczas hartowania w wodzie stal stopową nagrzewa się do 40–60⁰. Zimna ciecz odbije się od gorącej powierzchni, tworząc płaszcz parowy. Szybkość chłodzenia zostanie znacznie zmniejszona.

Hartowanie stopniowe

Hartowanie stali o złożonym składzie można przeprowadzić w kilku etapach. Aby przyspieszyć chłodzenie dużych części wykonanych ze stali wysokostopowych, najpierw zanurza się je w wodzie. Czas przebywania części jest określony przez kilka minut. Następnie hartowanie jest kontynuowane w oleju.

Woda szybko schładza metal na powierzchni. Następnie część zanurza się w oleju i schładza do temperatury krytycznej przemian strukturalnych wynoszącej 300–320⁰. Dalsze chłodzenie odbywa się w powietrzu.

Jeśli masywne części będziesz podgrzewać wyłącznie w oleju, temperatura od wewnątrz spowolni chłodzenie i znacznie obniży twardość.

Hartowanie izotermiczne

Trudno utwardzać metale o dużej zawartości węgla, zwłaszcza narzędzia ze stali narzędziowych – siekiery, sprężyny, dłuta. Po szybkim schłodzeniu powstają w nim silne naprężenia. Odpuszczanie w wysokiej temperaturze usuwa część twardości. Hartowanie odbywa się etapami:

1. Normalizacja w celu poprawy struktury.
2. Ogrzewanie do temperatury utwardzania.
3. Zanurzenie się w kąpieli saletry podgrzanej do 300–350⁰ i moczenie się w niej.

Po hartowaniu w kąpieli saletrycznej nie jest konieczne odpuszczanie. Naprężenia uwalniają się podczas powolnego chłodzenia.

Hartowanie izotermiczne

Lekkie utwardzanie

Nie ma technicznego określenia na „hartowanie światłem”. Podczas hartowania stali stopowych, łącznie z ogrzewaniem, w próżni lub gazach obojętnych, metal nie ciemnieje. Hartowanie w środowisku gazu ochronnego jest kosztowne i wymaga specjalnego sprzętu, oddzielnie dla każdego rodzaju części. Stosowany jest wyłącznie do masowej produkcji tego samego typu produktu.

W piecu pionowym część jest podgrzewana, przechodzi przez cewkę indukcyjną i natychmiast opuszczana poniżej - do kąpieli solnej lub azotanowej. Sprzęt musi być zaplombowany. Po każdym cyklu następuje wypompowanie z niego powietrza.

Hartowanie z samoodpuszczaniem

Podczas szybkiego chłodzenia podczas procesu hartowania stali, wewnątrz części pozostaje ciepło, które stopniowo wychodzi na zewnątrz i uwalnia materiał - łagodząc naprężenia. Samoodpuszczanie mogą wykonywać wyłącznie specjaliści, którzy wiedzą, o ile można skrócić czas przebywania części w płynie chłodzącym.

Samoodpuszczanie można wykonać w domu, jeśli chcesz nieznacznie zwiększyć twardość elementów złącznych lub małych części. Konieczne jest ułożenie ich na materiale termoizolacyjnym i pokrycie azbestem na wierzchu.

Metody chłodzenia podczas hartowania

Metody chłodzenia metalu podczas hartowania w wodzie i oleju są szeroko stosowane w przemyśle. Najstarszą kompozycją do utwardzania mieczy i innych cienkościennych przedmiotów jest roztwór soli. Hartowanie było przeprowadzane przez kowali przy użyciu ciepła kucia i ciepła generowanego przez odkształcenie.

Czerwone szable, miecze, noże zanurzano w moczu rudowłosych chłopaków. W Europie po prostu wbijano je w ciała żywych niewolników. Kompozycja koloidalna zawierająca sole i kwasy umożliwiła chłodzenie stali z optymalną prędkością i nie powodowała powstawania niepotrzebnych naprężeń i ołowiu.

Obecnie stosuje się różne roztwory soli sodowej, saletrę, a nawet wióry plastikowe.

Jak hartować stal w domu

Decyzję o sposobie podgrzewania metalu podejmuje się na podstawie kilku parametrów:

• gatunki stali;
• wymagana twardość;
• tryb pracy części;
• wymiary

Nie wszystkie metody obróbki cieplnej są dostępne dla amatorów. Warto wybierać te najprostsze. Najczęściej w domu trzeba hartować stal nierdzewną podczas robienia noży i innych domowych narzędzi skrawających.

Temperatura hartowania stali zawierających chrom wynosi 900–1100⁰C. Ogrzewanie należy sprawdzić wizualnie. Metal powinien mieć jasnopomarańczowo - ciemnożółty kolor, jednolity na całej powierzchni.

Możesz zanurzyć cienką stal nierdzewną w gorącej wodzie, unieść ją w powietrze i ponownie opuścić. Im wyższa zawartość węgla, tym więcej czasu stal spędza w powietrzu. Jeden cykl trwa około 5 sekund.

Zwykłe stale spawalne są podgrzewane do koloru wiśniowego i chłodzone w wodzie. Materiały średniostopowe powinny mieć kolor czerwony przed zanurzeniem w wodzie. Po 10–30 sekundach przenosi się je na olej, a następnie umieszcza w piekarniku.

Podczas hartowania uzyskuje się maksymalną twardość, jaką stal daje dzięki tej technologii. Następnie zostaje on zredukowany do wymaganej wartości poprzez odpuszczanie w wysokiej temperaturze.

Hartowanie w domu

Sprzęt

Metal jest podgrzewany różne sposoby. Należy tylko pamiętać, że temperatura spalania drewna nie jest w stanie zapewnić ogrzewania metalu.

Jeśli chcesz poprawić jakość 1 części, po prostu rozpal ogień. Musi być wyłożony cegłami na obwodzie i po ułożeniu przedmiotu częściowo zamknięty od góry, pozostawiając szczeliny dla dostępu powietrza. Lepiej palić węglem.

Wydzielona powierzchnia i niewielka część ogrzewana jest palnikiem gazowo-naftowym, stale poruszającym płomieniem i podgrzewającym go ze wszystkich stron.

Wykonanie pieca muflowego wymaga dużo czasu i zasobów. Wskazane jest zbudowanie go do ciągłego użytkowania.

Płyn chłodzący może znajdować się w wiadrze lub innym pojemniku, który zapewni całkowite zanurzenie części przy grubości oleju 5 największych sekcji części:

• jedna część pod utwardzonym produktem;
• dwa na górze.

Część należy powoli przesuwać w płynie chłodzącym. W przeciwnym razie utworzy się płaszcz parowy.

Własna produkcja komory do hartowania metalu

Najprostszy wygląd pieca muflowego wykonany jest z cegły ogniotrwałej, gliny szamotowej i azbestu:

1. Nawiń drut miedziany na trzpień. W przypadku napięcia domowego odpowiedni jest przekrój 0,8 mm. Zostaw długie końcówki.
2. Umieść spiralę wewnątrz cegieł i przymocuj ją gliną, pokrywając całą wewnętrzną powierzchnię.
3. Zrób w środku paletę - platformę do umieszczania przedmiotów. Aby to zrobić, musisz zmieszać glinę z azbestem.
4. Materiał termoizolacyjny można również umieścić na zewnątrz, ograniczając przenikanie ciepła przez ściany.
5. Połącz końce przewodu z przewodami za pomocą wtyczki.
6. Z tyłu zaklej hermetycznie otwór pomiędzy cegłami.
7. Zbuduj z przodu pokrywę, która będzie otwarta.

Wszystkie materiały powinny schnąć w temperaturze pokojowej. To zajmie kilka dni. Następnie możesz położyć część na materiale izolacyjnym i podgrzać ją.

Wady podczas hartowania stali

Podczas hartowania stali powstają 2 grupy wad:

• korygowany;
• niepoprawny.

Pierwsze związane są z nierównym, punktowym hartowaniem i rozbieżnością pomiędzy uzyskaną twardością a wymaganiami na rysunku. Wady takie spowodowane są głównie niewłaściwym chłodzeniem lub źle przeprowadzoną obróbką cieplną.

Elementy, których nie można naprawić, obejmują odpryski, pęknięcia i całkowite zniszczenie części. Przyczyną najczęściej jest metal niskiej jakości.

Hartowanie znacząco zmienia strukturę i właściwości użytkowe metalu. Możesz to zrobić sam, używając prostych części. Należy dokładnie znać gatunek stali, temperaturę jej hartowania oraz medium chłodzące.

/ 11.08.2019

Szybkość chłodzenia stali w stopniach powietrza. Wyznaczanie szybkości chłodzenia podczas hartowania stali

Wydajność chłodnicza mediów w dużej mierze zależy od tego, czy ich stan skupienia zmienia się, czy też nie zmienia się podczas procesu chłodzenia produktów.
W zależności od temperatury wrzenia, czynniki chłodzące dzielą się na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią media, których stan fizyczny zmienia się w okresie chłodzenia. Dotyczy to wody, wodnych roztworów soli, zasad, ciekłego azotu, a także olejów, wodnych roztworów emulsin itp., których temperatura wrzenia jest niższa niż temperatura chłodzonego produktu. Do drugiej grupy zaliczają się media, których stan fizyczny nie zmienia się podczas procesu chłodzenia produktów. Ich temperatura wrzenia jest wyższa od temperatury chłodzonych produktów. Są to stopione metale, sole, zasady i ich mieszaniny. Do tej grupy zalicza się także powietrze i hel, które również nie zmieniają swojego stanu skupienia.
W zależności od wydajności chłodniczej mediów dzieli się je na trzy grupy:
1. Silne chłodziwa: roztwory w wodzie 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10-15% NaOH i wodzie o temperaturze 15-30°C, szczególnie podczas ruchu o dużym natężeniu, ciekłym azocie, helu.
2. Czynniki średnio działające: stopione sole, zasady i metale, oleje roślinne i mineralne, olej opałowy, wodne roztwory krzemianów sodu, gorące wodne roztwory soli itp.
3. Słabe chłodziwa: ciągi suchego powietrza i mieszanin pary i powietrza, woda o temperaturze 80-90 ° C, woda z mydłem itp.
Wydajność chłodnicza czynnika chłodniczego zależy od jego ciepła utajonego parowania, pojemności cieplnej, przewodności cieplnej i lepkości. Na szybkość chłodzenia w rozważanej chłodnicy wpływa ilość chłodziwa i hydrodynamiczny sposób jego ruchu.
Po zanurzeniu produktu o wysokiej temperaturze w ośrodku chłodzącym o niskiej temperaturze wrzenia zachodzą następujące procesy. W początkowej chwili, na skutek wzmożonego parowania, cały produkt zostaje pokryty filmem pary, który mocno przylega do metalowej powierzchni. Jest słabym przewodnikiem ciepła, dlatego chłodzenie na tym etapie, zwanym etapem wrzenia filmu, jest powolne.
Wraz ze spadkiem temperatury produktu ilość wytwarzanego ciepła staje się niewystarczająca do utrzymania ciągłej warstwy pary na powierzchni. Zniszczenie tej warstwy powoduje, że powierzchnia produktu zaczyna stykać się z czynnikiem chłodzącym. W tym przypadku intensywnie tworzą się pęcherzyki pary, a intensywność chłodzenia gwałtownie wzrasta, ponieważ tworzenie się pęcherzyków pary, które szybko odrywają się od powierzchni, kończy się duża liczba ciepło, a temperatura metalu szybko spada do temperatury wrzenia czynnika chłodzącego. Odpowiedni okres chłodzenia nazywany jest wrzeniem zarodkowym
Podczas późniejszego chłodzenia praktycznie nie obserwuje się parowania, a ciepło jest przenoszone przez konwekcję z powierzchni produktu do czynnika chłodzącego. Intensywność wymiany ciepła w trzecim okresie jest niska, a szybkości chłodzenia są odpowiednio niskie.
Wymagania dotyczące idealnego czynnika chłodzącego podczas hartowania są takie, że musi on zapewniać chłodzenie z szybkościami powyżej krytycznej w pewnym zakresie temperatur. W niższych temperaturach szybkość chłodzenia nie powinna być duża, gdyż prowadzi to do powstawania dużych naprężeń własnych i wypaczania wyrobów. Na przykład podczas hartowania stopów aluminium wymagane są duże szybkości chłodzenia w temperaturach 500-300 ° C, aby utrwalić przesycony roztwór stały. Chłodzenie w zakresie temperatur 200-20°C korzystnie prowadzi się ze znacznie mniejszą intensywnością, aby zmniejszyć naprężenia własne.
Chłodzenie w wodzie. Aby ocenić wydajność chłodniczą mediów, na podstawie danych eksperymentalnych wykreślono zależności współczynników przenikania ciepła α od temperatury powierzchni produktu. Jak wspomniano wcześniej, wydajność chłodnicza zależy również od warunków ruchu płynu względem powierzchni produkt.
Na ryc. Tabela 1 pokazuje wartości współczynników przenikania ciepła dla wody spokojnej i krążącej. Można zauważyć, że w zależności od temperatury współczynniki przenikania ciepła zmieniają się wzdłuż krzywej z maksimum. Na wysokie temperatury a współczynniki α mają małe wartości, co odpowiada reżimowi wrzenia filmowego. W miarę rozwoju wrzenia zarodkowego współczynniki α gwałtownie rosną, a następnie spadają przy takich temperaturach powierzchni podczas przejścia do konwekcyjnego przenoszenia ciepła.

Krzywe zależności współczynników przenikania ciepła α od temperatury powierzchni nie dają jednoznacznego wyobrażenia o szybkości chłodzenia w różnych temperaturach, ponieważ ilość ciepła usuniętego z produktu jest proporcjonalna do α i różnicy temperatur tп-twoda. Szybkość chłodzenia „cienkich” ciał w sensie termicznym określa wzór

gdzie c i ρ to odpowiednio ciepło właściwe i gęstość metalu; V - objętość schłodzonego ciała
Z równania (I) wynika, że ​​do oceny wydajności chłodniczej ośrodka można posłużyć się parametrem k=α(tп-twater), który dla zadanych właściwości fizyczne Kształt metalu i wielkość produktu jednoznacznie określają szybkość chłodzenia. Na ryc. Na rysunku 2 przedstawiono zależność parametru k od temperatury powierzchni, skonstruowaną na podstawie danych z rys. 1.
Jak widać z danych na ryc. 2. Szybkość chłodzenia produktów w wodzie, w zależności od temperatury chłodzonej powierzchni, również zmienia się wzdłuż krzywej z maksimum. Przy temperaturze wody 20°C maksimum to mieści się w zakresie temperatur powierzchniowych 200-300°C. Wraz ze wzrostem temperatury wody szybkość chłodzenia maleje, a maksimum przesuwa się w obszar niższych temperatur powierzchni. Należy zauważyć, że w obszarze temperatur powierzchniowych 100-200°C, szybkość chłodzenia przy zastosowaniu wody o podwyższonej temperaturze jest większa niż w przypadku wody o temperaturze 20°C. Wzrost szybkości chłodzenia w niskim zakresie temperatur prowadzi do wzrostu naprężeń własnych, dlatego przegrzanie wody w zbiornikach hartowniczych ogranicza się do temperatur 25-45° C. Cyrkulacja wody zwiększa szybkość chłodzenia w wysokim zakresie temperatur .

Chłodzenie w roztworach wodnych i emulsjach. Badania wykazały, że nawet niewielka ilość zanieczyszczeń znacząco zmienia zdolność chłodniczą wody. Ustalono, że jest to spowodowane wpływem zanieczyszczeń na trwałość filmu parowego na powierzchni chłodzonego produktu. W tym przypadku rozpuszczalne zanieczyszczenia są redukowane, a nierozpuszczalne zanieczyszczenia, wręcz przeciwnie, zwiększają stabilność filmu parowego. Ta właściwość wody została wykorzystana do opracowania mediów hartowniczych o wysokiej i niskiej wydajności chłodniczej.
Zwiększenie wydajności chłodniczej wody osiąga się poprzez rozpuszczenie w niej kwasów, zasad i soli. Łatwo rozpuszczalne związki takie jak KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, K2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, KOH zmniejszają stabilność filmu parowego i zwiększają temperaturę przejścia od wrzenia filmowego do wrzenia zarodkowego.
Przeciwnie, dodatek nierozpuszczalnych i słabo rozpuszczalnych substancji tworzących emulsję w wodzie (oleje, tłuszcze, produkty naftowe, mydła itp.) zwiększa stabilność filmu parowego i obniża temperaturę, w której zmieniają się tryby wrzenia. Zdolność chłodnicza wody zawierającej te substancje ulega znacznemu zmniejszeniu w wysokich temperaturach.
W praktyce obróbki cieplnej powszechnie stosuje się wodne roztwory 5-15% NaCl. Mają one większą zdolność chłodzenia niż woda w podwyższonych temperaturach, a w temperaturach poniżej 200-250°C schładzają się mniej więcej z taką samą szybkością jak woda.
Rzadziej stosowane są roztwory alkaliczne, które pod względem właściwości chłodzących są podobne do roztworów NaCl. Roztwory kwasowe nie są stosowane jako środki hartujące ze względu na ich agresywność i wydzielanie się szkodliwych oparów podczas hartowania. Zawiesiny i emulsje charakteryzują się zmniejszoną szybkością chłodzenia w wysokich i średnich temperaturach, a w niskich temperaturach schładzają tak samo jak czysta woda.
Na ryc. W tabeli 3 przedstawiono wartości współczynników przenikania ciepła w zależności od temperatury powierzchni dla różnych roztworów i emulsji, co pozwala uzyskać ilościową charakterystykę ich zdolności chłodniczej.

Ostatnio zaczęto stosować wodne roztwory polimerów jako środki hartujące, zapewniając zmniejszoną szybkość chłodzenia podczas hartowania i odpowiednio mniejsze wypaczenie. W praktyce zagranicznej stosuje się wodne roztwory glikolu polialkilenowego, a w naszym kraju wodne roztwory glikolu polietylenowego. W temperaturach powyżej 70-77°C substancje te są nierozpuszczalne w wodzie, dlatego podczas chłodzenia wygaszającego cząsteczki polimeru pokrywają powierzchnię produktu cienką warstwą, co spowalnia chłodzenie. W wystarczająco niskich temperaturach folia polimerowa przechodzi do roztworu wodnego i eliminowane jest działanie opóźniające folii. Dlatego przy hartowaniu polimerów w roztworach wodnych nie ma kolosalnej różnicy w szybkościach chłodzenia w zakresie wysokich, średnich i niskich temperatur. to jest charakterystyczne dla wody.
Lepkość roztworu, która w dużej mierze decyduje o jego zdolności chłodzącej, zależy od stężenia polimeru. Zatem zmiana stężenia glikolu polietylenowego z 30 na 70% zwiększa lepkość kinematyczną roztworu prawie 30-krotnie, co pozwala na ostre hartowanie w roztworach o niskim stężeniu i hartowanie z umiarkowaną szybkością chłodzenia w roztworach o wysokim stężeniu (ryc. 4).

Podczas hartowania stopów aluminium w roztworach glikolu polietylenowego o stężeniu powyżej 50%, wypaczenie można zmniejszyć o 85–95%. Jednocześnie nie zmniejszają się znacząco właściwości mechaniczne i odporność stopów na korozję. Najbardziej wskazane jest stosowanie tych mediów w odpowiednich warunkach zakłady produkujące maszyny, gdzie często zachodzi potrzeba wielokrotnego hartowania.
Chłodzenie w olejach. Obecnie do hartowania stosuje się wyłącznie destylowane oleje mineralne. Temperatura wrzenia olejów jest o 150-300° C wyższa niż temperatura wrzenia wody. Maksymalna dopuszczalna temperatura przegrzania olejów wynosi 25–30 ° C poniżej temperatury zapłonu. W porównaniu do wody oleje charakteryzują się znacznie mniejszą wydajnością chłodniczą, szczególnie na etapie konwekcyjnej wymiany ciepła. Szybkość chłodzenia w oleju w podwyższonych temperaturach jest 5-8 razy mniejsza niż w przypadku chłodzenia w wodzie.
Zdolność chłodząca olejów zależy w niewielkim stopniu od ich cyrkulacji i temperatury, w granicach spotykanych w praktyce (25-65 ° C).
Do przeprowadzenia operacji hartowania w praktyce obróbki cieplnej stosuje się oleje o niskiej, normalnej, wysokiej i wysokiej lepkości. Najczęściej stosowane oleje to klasy 20 i 20B, które mają normalną lepkość.
Oleje o niskiej lepkości mają wyższą wydajność chłodzenia w porównaniu do olejów o wysokiej i wysokiej lepkości oraz mają niską temperaturę zapłonu. Oleje o dużej i dużej lepkości mają wysoką temperaturę zapłonu, co pozwala na podgrzanie ich do 160-200 ° C w celu zmniejszenia lepkości. Stosowane są do hartowania izotermicznego i stopniowego.
Wadą olejów mineralnych jest ich starzenie się, prowadzące do zgęstnienia i utraty właściwości chłodzących. Olej postarzany poddawany jest regeneracji, która polega na osadzeniu, odfiltrowaniu zanieczyszczeń i dodaniu odpowiedniej ilości świeżego oleju.
Hartowanie w roztopionym ołowiu, solach i alkaliach. Do utwardzania stopniowego i izotermicznego stosuje się czynniki chłodzące, które podczas obróbki cieplnej nie zmieniają stanu skupienia. Są to m.in. stopiony ołów, sole azotanowe i zasady.
Ołów stopiony spełnia wymagania z termotechnicznego punktu widzenia, ale jest go mało, a jego opary są szkodliwe dla personelu obsługującego. Dlatego ołów jest zastępowany innymi mediami.
Stopione sole i zasady oraz ich mieszaniny mają wiele zalet w porównaniu z ołowiem. Po pierwsze, łatwo zmywają się z powierzchni produktów. Powierzchnia po utwardzeniu w alkaliach nie ulega utlenieniu, co pozwala na spalanie bez konieczności czyszczenia części po obróbce cieplnej. Po drugie, zastosowanie kąpieli solnych i alkalicznych umożliwia wdrożenie wewnętrznego ogrzewania elektrycznego, łatwą automatyzację kontroli temperatury i po prostu rozwiązuje problem mieszania stopu. Badania pokazują, że zdolność chłodzenia soli i mediów alkalicznych jest nieco niższa niż ołowiu. Jednakże podczas pracy z mediami alkalicznymi należy zachować środki ostrożności w celu uniknięcia oparzeń rozbryzgowych.
Składy mieszanin zalecanych jako środki gaszące podano w tabeli. 3.

Wydajność chłodzenia stopionych mediów zależy od lepkości: im niższa lepkość, tym wyższa wydajność chłodzenia. Wraz ze wzrostem temperatury stopu i odpowiednim spadkiem lepkości współczynniki przenikania ciepła rosną, osiągają maksimum, a następnie spadają (ryc. 5).
Dodatki wody w dużym stopniu wpływają na zdolność chłodzenia soli i zasad. Woda zwiększa płynność i zdolność chłodzenia stopionego medium. W tym celu do stopionych soli wprowadza się 2-10% wody, a do stopionych zasad 8-15%.

Po hartowaniu w stopach alkalicznych produkty należy dokładnie umyć i pasywować, aby zapobiec korozji.
Chłodzenie powietrzem. Podczas chłodzenia w powietrzu ciepło przenoszone jest przez promieniowanie i konwekcję, a współczynnik przenikania ciepła α składa się ze składników konwekcyjnych αk i promienistych αl.
Podczas chłodzenia w spokojnym środowisku powietrznym do określenia αk stosuje się następujące wzory:

gdzie Δr=tп-tair jest różnicą między średnią temperaturą powierzchni produktu a temperaturą powietrza; l - charakterystyczny rozmiar, m, przyjmuje się dla kuli i poziomego cylindra (rury) równego ich średnicy; dla cylindra pionowego i płyty pionowej - wysokość chłodzonej powierzchni, dla płyty poziomej - jej najkrótsza długość.
Dla płyty skierowanej powierzchnią wymiany ciepła w górę wartości αk zwiększają się o 30%, a dla płyty skierowanej powierzchnią wymiany ciepła w dół zmniejszają się o 30% w porównaniu do obliczonych ze wzorów (2) i (3) .
Wartości współczynników B, A1 i A2 wyznaczane są w zależności od średniej temperatury t=1/2(tп+tair) i podane są w tabeli. 4.

Intensywność konwekcyjnego przenoszenia ciepła podczas wymuszonego ruchu powietrza lub gazu zależy od prędkości ruchu gazu, jego właściwości fizycznych oraz geometrii ogrzewanych lub chłodzonych produktów.
Dla wymuszonego ruchu powierzchni αk wyznacza się ze wzorów Jurgesa:
a) przy prędkości powietrza w0≤4,65 m/s:
do polerowanej powierzchni

z walcowaną powierzchnią

do szorstkich powierzchni

b) przy prędkości gazu w0≥4,65 m/s:
do polerowanej powierzchni

do powierzchni walcowanej

do szorstkich powierzchni

Tutaj W0 jest zmniejszoną (0°C; 0,1 mPa) prędkością ruchu powietrza. Jeżeli znana jest prędkość ruchu w w temperaturze t, to

Podczas obróbki cieplnej często wymagane jest chłodzenie z kontrolowaną szybkością. Istnieje zatem konieczność obliczenia procesów chłodzenia, które można przeprowadzić w dowolnym z opisanych powyżej środowisk.
Obliczanie procesów chłodzenia w różnych warunkach w zasadzie nie różni się od obliczania procesów ogrzewania. Tyle, że we wzorach podanych w literaturze na temat wymiany ciepła zamiast temperatury pieca t1 należy podstawić wartość temperatury chłodzenia spośród. Do obliczenia chłodzenia ciał masywnych można posłużyć się np. wykresami D. V. Budrin i inni.

Obróbka cieplna stali to jedna z najważniejszych operacji w budowie maszyn, której prawidłowe wykonanie decyduje o jakości wyrobów. Hartowanie i odpuszczanie stali to jeden z różnych rodzajów obróbki cieplnej metali.

Oddziaływania termiczne na metal zmieniają jego właściwości i strukturę. Umożliwia to zwiększenie właściwości mechanicznych materiału, trwałości i niezawodności produktów, a także zmniejszenie gabarytów i masy mechanizmów i maszyn. Ponadto, dzięki obróbce cieplnej, do produkcji różnych części można wykorzystać tańsze stopy.

Gdy stal była hartowana

Obróbka cieplna stali polega na podgrzaniu metalu w określonych warunkach w celu zmiany jego struktury i właściwości.

Operacje obróbki cieplnej obejmują:

• wyżarzanie;
• normalizacja;
• starzenie się;
• hartowanie stali i odpuszczanie stali (itp.).

Obróbka cieplna stali: hartowanie, odpuszczanie – zależy od następujących czynników:

• temperatury ogrzewania;
• czas nagrzewania (prędkość);
• czas trwania ekspozycji w danej temperaturze;
• tempo schładzania.

Hartowanie

Hartowanie stali to proces obróbki cieplnej, którego istotą jest nagrzanie stali do temperatury wyższej od temperatury krytycznej, a następnie szybkie schłodzenie. W wyniku tej operacji zwiększa się twardość i wytrzymałość stali, a zmniejsza się ciągliwość.

Kiedy stal jest podgrzewana i chłodzona, sieć atomowa ulega zmianie. Krytyczne wartości temperatury dla różnych gatunków stali nie są takie same: zależą od zawartości węgla i zanieczyszczeń stopowych, a także od szybkości nagrzewania i chłodzenia.

Po hartowaniu stal staje się krucha i twarda. Podczas ogrzewania w piecach termicznych wierzchnia warstwa produktów pokrywa się kamieniem i ulega odwęgleniu, tym bardziej, im wyższa jest temperatura ogrzewania i czas przebywania w piecu. Jeśli części mają niewielki naddatek na dalszą obróbkę, wówczas wada ta jest nie do naprawienia. Tryby hartowania stali zależą od jej składu i wymagania techniczne do produktu.

Podczas hartowania części należy szybko schłodzić, aby austenit nie miał czasu na przekształcenie się w struktury pośrednie (sorbitol lub troostyt). Wymaganą szybkość chłodzenia zapewnia się poprzez dobór czynnika chłodzącego. W takim przypadku zbyt szybkie chłodzenie prowadzi do pęknięć lub wypaczeń produktu. Aby tego uniknąć, w zakresie temperatur od 300 do 200 stopni należy zmniejszyć szybkość chłodzenia, stosując kombinowane metody hartowania. Duże znaczenie dla ograniczenia wypaczenia produktu ma sposób zanurzenia części w medium chłodzącym.

Ogrzewanie metalu

Wszystkie metody hartowania stali polegają na:

• stal grzewcza;
• późniejsze przetrzymywanie w celu dogrzania produktu i zakończenia przemian strukturalnych;
• chłodzenie z określoną prędkością.

Wyroby ze stali węglowej wygrzewane są w piecach komorowych. W tym przypadku podgrzewanie wstępne nie jest wymagane, ponieważ te gatunki stali nie podlegają pękaniu ani wypaczeniu.

Produkty złożone (na przykład narzędzie z wystającymi cienkimi krawędziami lub ostrymi przejściami) są podgrzewane:

• w kąpielach solnych poprzez dwu-, trzykrotne zanurzenie na 2 – 4 sekundy;
• w oddzielnych piekarnikach do temperatury 400 – 500 stopni Celsjusza.

Ogrzewanie wszystkich części produktu powinno przebiegać równomiernie. Jeżeli nie można tego osiągnąć w jednym etapie (duże odkuwki), wówczas w przypadku nagrzewania przelotowego stosuje się dwa czasy przetrzymywania.

Jeśli w piekarniku zostanie umieszczona tylko jedna część, czas nagrzewania ulega skróceniu. Przykładowo jedna przecinarka tarczowa o grubości 24 mm nagrzewa się w ciągu 13 minut, a dziesięć takich produktów w ciągu 18 minut.

Ochrona produktu przed kamieniem i odwęgleniem

W przypadku produktów, których powierzchnie nie są szlifowane po obróbce cieplnej, niedopuszczalne jest wypalanie węgla i tworzenie się kamienia. Chroń powierzchnie przed takimi defektami, nakładając je na wnękę pieca elektrycznego. Oczywiście ta technika jest możliwa tylko w specjalnych, szczelnych piekarnikach. Źródłem gazu dostarczanego do strefy grzewczej są generatory gazu osłonowego. Mogą pracować na metanie, amoniaku i innych gazach węglowodorowych.

Jeżeli nie ma atmosfery ochronnej, to przed ogrzewaniem produkty pakuje się do pojemników i wypełnia zużytym nawęglaczem i wiórami (inżynier ciepłowniczy powinien wiedzieć, że węgiel drzewny nie chroni stali narzędziowych przed odwęgleniem). Aby zapobiec przedostawaniu się powietrza do pojemnika, jest on pokryty gliną.

Po podgrzaniu kąpiele solne zapobiegają utlenianiu metalu, ale nie chronią przed dekarbonizacją. Dlatego podczas produkcji są one odtleniane co najmniej dwa razy na zmianę solą brunatną, solą krwi lub kwasem borowym. Kąpiele solne działające w temperaturach 760 – 1000 stopni Celsjusza bardzo skutecznie odtleniają węgiel drzewny. W tym celu szklankę z wieloma otworami na całej powierzchni wypełnia się suszonym węglem drzewnym, zamyka pokrywką (aby węgiel nie unosił się do góry) i po podgrzaniu opuszcza na dno kąpieli solnej. Najpierw pojawia się znaczna liczba płomieni, a następnie maleje. Jeśli w ten sposób odtlenisz kąpiel trzykrotnie podczas zmiany, podgrzane produkty będą całkowicie zabezpieczone przed odwęglaniem.

Stopień odtleniania kąpieli solnych sprawdza się w bardzo prosty sposób: zwykłe ostrze, podgrzewane w kąpieli przez 5–7 minut w wysokiej jakości kąpieli odtlenionej i utwardzane w wodzie, pęknie, a nie zgnie się.

Chłodziwa

Głównym chłodziwem stali jest woda. Jeśli dodasz do wody niewielką ilość soli lub mydła, szybkość chłodzenia ulegnie zmianie. Dlatego też w żadnym wypadku nie należy wykorzystywać zbiornika gaszącego do innych celów (np. mycia rąk). Aby uzyskać tę samą twardość na utwardzonej powierzchni, konieczne jest utrzymanie temperatury płynu chłodzącego na poziomie 20 - 30 stopni. Nie należy często zmieniać wody w zbiorniku. Całkowicie niedopuszczalne jest schładzanie produktu pod bieżącą wodą.

Wadą utwardzania w wodzie jest powstawanie pęknięć i wypaczeń. Dlatego tą metodą utwardza ​​się wyłącznie produkty o prostych kształtach lub cementowane.

• Do hartowania wyrobów o skomplikowanych konfiguracjach wykonanych ze stali konstrukcyjnej stosuje się pięćdziesięcioprocentowy roztwór sody kaustycznej (zimnej lub podgrzanej do 50 - 60 stopni). Części nagrzane w kąpieli solnej i utwardzone w tym roztworze stają się lekkie. Temperatura roztworu nie powinna przekraczać 60 stopni.

Tryby

Opary powstające podczas hartowania w roztworze żrącym są szkodliwe dla człowieka, dlatego kąpiel hartownicza musi być wyposażona w wentylację wyciągową.

• Stal stopowa jest utwardzana w olejach mineralnych. Nawiasem mówiąc, cienkie produkty ze stali węglowej są również wykonywane w oleju. Główną zaletą kąpieli olejowych jest to, że szybkość chłodzenia nie zależy od temperatury oleju: w temperaturze 20 stopni i 150 stopni produkt będzie schładzał się z tą samą szybkością.

Należy uważać, aby woda nie dostała się do kąpieli olejowej, gdyż może to spowodować pęknięcie produktu. Co ciekawe: w oleju nagrzanym do temperatury powyżej 100 stopni wnikanie wody nie powoduje pojawienia się pęknięć w metalu.

Wadą kąpieli olejowej jest:

1. uwalnianie szkodliwych gazów podczas hartowania;
2. tworzenie się płytki nazębnej na produkcie;
3. skłonność oleju do palności;
4. stopniowe pogarszanie się zdolności hartowania.

• Stale ze stabilnym austenitem (na przykład X12M) można chłodzić powietrzem dostarczanym przez sprężarkę lub wentylator. Jednocześnie ważne jest, aby zapobiec przedostawaniu się wody do kanału powietrznego: może to prowadzić do powstawania pęknięć w produkcie.
• Utwardzanie stopniowe przeprowadza się w gorącym oleju, stopionych zasadach i solach niskotopliwych.
• Przerywane hartowanie stali w dwóch środowiskach chłodzenia służy do obróbki skomplikowanych części wykonanych ze stali węglowych. Najpierw schładza się je w wodzie do temperatury 250 – 200 stopni, a następnie w oleju. Produkt przebywa się w wodzie nie dłużej niż 1 – 2 sekundy na każde 5 – 6 mm grubości. Jeśli czas ekspozycji w wodzie zostanie wydłużony, na produkcie nieuchronnie pojawią się pęknięcia. Przeniesienie części z wody na olej musi nastąpić bardzo szybko.

W zależności od wymaganej temperatury odpuszczanie przeprowadza się:

• w kąpielach olejowych;
• w kąpielach saletry;
• w piecach z wymuszonym obiegiem powietrza;
• w kąpielach ze stopionymi alkaliami.

Temperatura odpuszczania uzależniona jest od gatunku stali i wymaganej twardości produktu, przykładowo narzędzie wymagające twardości HRC 59 - 60 należy odpuszczać w temperaturze 150 - 200 stopni. W tym przypadku naprężenia wewnętrzne zmniejszają się, a twardość nieznacznie maleje.

Stal szybkotnąca jest odpuszczana w temperaturze 540 - 580 stopni. To odpuszczanie nazywa się hartowaniem wtórnym, ponieważ w rezultacie wzrasta twardość produktu.

Produkty można zmatowić podgrzewając je na kuchenkach elektrycznych, w piekarnikach, a nawet w gorącym piasku. Powłoka tlenkowa powstająca w wyniku nagrzewania przybiera różne nalotowe kolory w zależności od temperatury. Zanim przystąpisz do temperowania jednego z nalotowych kolorów, należy oczyścić powierzchnię produktu z kamienia, osadów oleju itp.

Zwykle po odpuszczaniu metal schładza się na powietrzu. Jednak stale chromowo-niklowe należy chłodzić w wodzie lub oleju, ponieważ powolne chłodzenie tych gatunków prowadzi do kruchości odpuszczania.

W wyniku hartowania stal uzyskuje strukturę martenzytyczną, bardzo twardą (ponad 6000 HB) i kruchą. Martenzyt to przesycony stały roztwór węgla w α-Fe. Przemiana austenitu w martenzyt jest procesem pozbawionym dyfuzji: po szybkim ochłodzeniu (z szybkością ponad 150 0 C/s) krystaliczna sieć austenitu skupiona na powierzchni przekształca się w sieć α-Fe. W tym przypadku dyfuzja atomów węgla nie ma czasu na wystąpienie i zachowują one swoje poprzednie pozycje. W efekcie powstaje stan naprężenia sieci krystalicznej, co prowadzi do dużej twardości i kruchości hartowanej stali.

Aby zmniejszyć kruchość, po hartowaniu zawsze przeprowadza się odpuszczanie, w wyniku czego zmniejszają się naprężenia wewnętrzne, a stal uzyskuje niezbędne właściwości fizyczne i mechaniczne.

Odpuszczanie stali hartowanej odbywa się poprzez ogrzewanie do temperatury poniżej punktów krytycznych Ac 1, utrzymywanie w tej temperaturze, a następnie powolne lub szybkie chłodzenie. Podczas odpuszczania stali stopowych zaleca się szybkie chłodzenie wodą, aby uniknąć kruchości odpuszczania. Stale węglowe są chłodzone powietrzem.

Tradycyjnie rozróżnia się wakacje niskie, średnie i wysokie. Niskie odpuszczanie przeprowadza się po podgrzaniu do 200 __ Uzyskana struktura to martenzyt odpuszczony odpuszczony o twardości ponad 5000 HB. Narzędzia skrawające, sprawdziany itp. poddawane są działaniu niskiego odpuszczania.

Odpuszczanie średnie przeprowadza się po podgrzaniu od 300 do 500 0 C. W wyniku odpuszczania średniego stal uzyskuje strukturę odpuszczonego troostytu, który charakteryzuje się twardością około 4000 HB. Odpuszczanie troostytu stosuje się przy obróbce sprężyn, resorów piórowych, matryc, narzędzi udarowych itp. Przy pośrednim ogrzewaniu otrzymuje się struktury troosto-martenzytu lub troosto-sorbitolu.

Wysokie odpuszczanie przeprowadza się po podgrzaniu do 550-650 0 C. Powstała struktura jest hartowana sorbitolem, twardość wynosi około 3000 HB. Wały korbowe, półosie, korbowody, śruby korbowodów i wiele innych części maszyn poddawane jest wysokiemu odpuszczaniu.

Zatem wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania zmniejszają się właściwości wytrzymałościowe, zwiększają się właściwości plastyczności i udarność. Dla różnych gatunków stali wartości tych cech będą różne, ale ogólny trend ich zmian pozostaje taki sam. Najlepsze połączenie właściwości wytrzymałościowych i plastycznych charakteryzuje się stalą po hartowaniu i odpuszczaniu w wysokiej temperaturze (struktura sorbitolu).

Porządek pracy

Pracę wykonuje grupa 10-12 osób. Co dwóch studentów dokonuje normalizacji, hartowania, odpuszczania niskiego i wysokiego odpuszczania próbki stali.

Określ temperaturę hartowania stali korzystając z dolnej części wykresu żelazo-cementyt. Dla stali średniowęglowych podeutektoidalnych (gatunki 40, 45, 50) normalną temperaturą hartowania jest temperatura 30-50 0 C powyżej linii GS, tj. Ac 3 + (30-50) 0 C.

Wyznacz czas nagrzewania i przetrzymywania próbek, korzystając z danych podanych w tabeli. 5.2.

Określ szybkość chłodzenia w różnych środowiskach. Aby to zrobić, weź najpopularniejsze media hartownicze, które schładzają się z różną szybkością: wodę (szybkość chłodzenia 600 0 C/s) i olej (szybkość chłodzenia 150 0 C/s).

Próbki umieszcza się w piecu nagrzanym do temperatury hartowania stali danego gatunku i trzyma w piecu przez wymagany czas. Po nagrzaniu 40 próbek stali do temperatury hartowania pierwotna struktura ferrytowo-perlitowa przekształci się w strukturę austenitu.

Zanurz próbkę w wodzie. W tym celu należy: a) szybko przenieść próbkę szczypcami do kąpieli hartowniczej z wodą, aby uniknąć wychłodzenia próbki poniżej temperatury Ac 3 i uzyskania niepełnego hartowania; b) energicznie poruszać próbką w kąpieli w celu usunięcia powstałego płaszcza pary, co spowalnia proces chłodzenia.

Ochłodzone w oleju próbki przetrzeć szmatką i przeszlifować oba końce papierem ściernym. Określ twardość zahartowanych próbek według HRC.

Określ temperaturę odpuszczania stali. Ponieważ w trakcie odpuszczania zmienia się struktura i właściwości stali, a w większym stopniu im wyższa jest temperatura odpuszczania, należy stosować różne temperatury odpuszczanie od niskiego (200 0 C) do wysokiego (600 0 C).

Oznaczyć czas przetrzymywania w temperaturze odpuszczania z szybkością 2-3 minut na 1 mm grubości próbki i zapisać go w odpowiedniej kolumnie protokołu.

Określ warunki chłodzenia. Zwykle chłodzenie po odpuszczaniu odbywa się w powietrzu, ale można je chłodzić zarówno w wodzie, jak i w oleju, ponieważ szybkość chłodzenia nie wpływa na twardość i strukturę stali. Aby przyspieszyć pracę, próbki po odpuszczaniu należy schłodzić w wodzie.

Po każdym rodzaju odpuszczania należy dokonać pomiaru twardości próbek, zapisując wyniki pomiarów w dzienniku pracy i na ich podstawie ustalić przybliżoną wartość wytrzymałości na rozciąganie według zależności

12. W protokole przedstawić wykres i wszystkie niezbędne dane dotyczące reżimu obróbki cieplnej, podać nazwę powstałej mikrostruktury i wyjaśnić wpływ obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne stali.

PRACA LABORATORYJNA nr 5

HARTOWANIE STALI W RÓŻNYCH ŚRODOWISKACH

Cel pracy: ocenić wpływ różnych czynników chłodzących na przemianę austenitu podczas hartowania poprzez monitorowanie twardości.

Urządzenia, materiały, narzędzia:

1) elektryczny piec muflowy MP-2U;

2) próbki ze stali 50;

3) Twardościomierz Rockwella;

4) zbiorniki chłodzące z mediami hartującymi.

Chłodzenie podczas hartowania powinno zapewniać utworzenie się struktury martenzytycznej w danym przekroju wyrobu i nie powinno powodować uszkodzeń hartowniczych – pęknięć, wypaczeń, naprężeń własnych w warstwach wierzchnich itp. Podczas hartowania wymagane jest szybkie chłodzenie, aby przechłodzić austenit do temperatury przemiany martenzytycznej, ale nie w całym zakresie temperatur, w którym austenit jest najmniej stabilny. Powyżej 650°C szybkość przemiany austenitu jest niewielka, dlatego też stal podczas hartowania może być chłodzona w tym zakresie powoli, ale nie na tyle, aby rozpocząć tworzenie się FP+P. Przedział 650 şС-400 şС należy minąć bardzo szybko.

W momencie zanurzenia produktu w medium gaszącym tworzy się wokół niego warstwa przegrzanej pary; chłodzenie następuje poprzez warstwę tego płaszcza parowego, tj. powoli (wrzący film). W określonej temperaturze płaszcz parowy pęka, ciecz zaczyna wrzeć na powierzchni części i następuje szybkie chłodzenie (wrzenie jądrowe). Trzeci etap (konwekcyjny transfer ciepła) rozpoczyna się, gdy ciecz nie może już wrzeć. Im szerszy odstęp drugiego etapu, tym skuteczniejszy jest środek hartujący.

Jeśli intensywność chłodzenia wodą w środku drugiego etapu przyjmiemy jako jeden, to dla oleju mineralnego będzie ona równa 0,3; dla 10% roztworu NaCl w wodzie – 3; dla 10% roztworu NaOH w wodzie – 2,5.

Podczas hartowania stali węglowych i niektórych stali niskostopowych jako czynnik chłodzący stosuje się wodę i wodne roztwory (8-12%) NaCl i NaOH. Woda jako czynnik chłodzący ma wadę. Duża szybkość chłodzenia w zakresie temperatur przemiany martenzytycznej prowadzi do powstania defektów hartowniczych. Roztwory NaCl i NaOH mają najbardziej równomierną zdolność chłodzenia; Ponadto środowisko alkaliczne nie powoduje późniejszej korozji innych części. Zaletą oleju jako czynnika hartowniczego jest mała szybkość chłodzenia w zakresie przemiany martenzytycznej, co ogranicza występowanie wad hartowniczych. Wadą jest zwiększona palność.

Strukturę hartowanej stali – martenzytu – uzyskuje się poprzez gwałtowne chłodzenie austenitu podczas hartowania. Patrząc na wykresy przemiany izotermicznej stali węglowej i stopowej (rys. 21), łatwo zauważyć, że linia początku przemiany dla stali stopowej jest przesunięta w prawo od osi rzędnych w porównaniu ze stalą węglową. W konsekwencji stabilność austenitu ze stali stopowej charakteryzuje się odległością od osi rzędnych do punktu DO odchylenie linii początku przemiany perlitycznej i pośredniej jest znacznie większe niż w przypadku stali węglowej.

Jeśli szybkość chłodzenia podczas hartowania w różnych środowiskach zostanie przedstawiona na wykresie transformacji izotermicznej, będą one wyglądać jak krzywe , . Im wyższa szybkość chłodzenia, tym bardziej stroma krzywa. Na podstawie wykresu zawierającego krzywe szybkości chłodzenia można ocenić przemiany strukturalne zachodzące w częściach wykonanych z danej stali podczas hartowania w określonym środowisku chłodzenia.

Niech będzie szybkością chłodzenia w wodzie, oleju i nieruchomym powietrzu.

Rozważ przemianę w stal podczas hartowania. Stal węglowa ma niską stabilność austenitu. Przy chłodzeniu w wodzie krzywa szybkości chłodzenia nie przecina linii początku przemiany martenzytycznej. Struktura austenityczna jest całkowicie zachowana aż do rozpoczęcia przemiany martenzytycznej, a struktura po zakończeniu chłodzenia stanowi martenzyt hartujący. Po ochłodzeniu w oleju okazuje się, że krzywa szybkości chłodzenia przecina linię początku przemiany w obszarze przemiany troostytu, ale nie wykracza poza linię końca przemiany, a następnie przecina linię końca przemiany linie początku i końca przemiany martenzytycznej. W rezultacie część przechłodzonego austenitu przekształca się w troostyt hartowniczy, część pozostaje do obszaru przemiany martenzytycznej, a struktura stali po zakończeniu chłodzenia składa się z troostytu hartowniczego i martenzytu hartowniczego. Prowadzi to do zmniejszenia twardości i część zostaje odrzucona.

Jeśli część wykonaną z tej stali ochłodzimy na powietrzu, okaże się, że krzywa szybkości chłodzenia przecina linie początku i końca przemiany w obszarze przemian perlitu i sorbitolu; Konstrukcja stalowa po schłodzeniu składa się z perlitu i utwardzającego się sorbitolu.

Zatem, aby uzyskać strukturę hartowanego martenzytu, należy tak dobrać czynnik chłodzący, aby krzywa szybkości chłodzenia nie przecinała linii przemian perlitu.

Ryż. 21. Schemat przemiany izotermicznej austenitu
dla stali zawierającej 0,8% węgla.

Niezwykle niska prędkość chłodzenia, którego krzywa nie przecina linii przemian perlitu, lecz styka się z nią w punkcie DO, nazywa się krytyczną szybkością utwardzania. Dla każdej stali krytyczna szybkość hartowania jest wartością stałą, ale różną od krytycznej szybkości hartowania innej stali. Zależy to od najmniejszej stabilności, tj. od odległości od osi rzędnych do punktu DO w punkcie, w którym krzywa załamuje się na początku transformacji. Krytyczna prędkość hartowania – najniższa prędkość chłodzenie wystarczające do przechłodzenia austenitu przed rozpoczęciem przemiany martenzytycznej, a w konsekwencji do uzyskania struktury wygaszonego martenzytu. Wybierając czynnik chłodzący do hartowania określonego gatunku stali, należy wybrać taki, który daje szybkość chłodzenia nieco wyższą od krytycznej przy hartowaniu stali do pełnej głębokości określonej hartownością stali. Niepotrzebnie wysoka prędkość chłodzenie jest niepożądane, ponieważ towarzyszy mu powstawanie wysokich naprężeń własnych i prowadzi do wypaczenia części, a nawet powstawania pęknięć.

Jeżeli wybrana prędkość jest poniżej wartości krytycznej, powoduje to spadek twardości na skutek tworzenia się struktury troostowo-martenzytycznej, co jest niepożądane.

Porządek pracy:

1. Próbki zahartować w temperaturze 820 0 Sv wodą, olejem, 10% roztworem wody NaCl i powietrzem.

2. Określić twardość próbek po każdym rodzaju obróbki.

3. Wyjaśnij uzyskane wyniki, wypełnij tabelę. 5.

4. Napisz raport.

Tabela 5

Tabela zależności właściwości stali od czynnika chłodzącego

Pytania testowe:

1. Jakie media wykorzystuje się do hartowania stali węglowych i stopowych?

2. Jak czynnik chłodzący wpływa na twardość stali?

3. Jaką strukturę uzyskuje się w wyniku hartowania stali węglowej w wodzie, oleju, stopionych solach lub w powietrzu?

Technologie nadawania większej twardości metalom i stopom były udoskonalane przez wiele stuleci. Nowoczesny sprzęt pozwala na przeprowadzenie obróbki cieplnej w taki sposób, aby znacząco poprawić właściwości produktów nawet z niedrogich materiałów.

Hartowanie (transformacja martenzytyczna)- główna metoda nadawania stali większej twardości. W procesie tym produkt podgrzewany jest do takiej temperatury, że żelazo zmienia swoją sieć krystaliczną i może zostać dodatkowo nasycone węglem. Po pewnym czasie wytrzymywania stal schładza się. Należy to robić przy dużej prędkości, aby zapobiec tworzeniu się pośrednich form żelaza.
W wyniku szybkiej przemiany otrzymuje się roztwór stały przesycony węglem o zniekształconej strukturze krystalicznej. Obydwa te czynniki odpowiadają za jego wysoką twardość (do HRC 65) i kruchość.
Podczas hartowania większość stali węglowych i narzędziowych nagrzewa się do temperatury 800-900C, ale stale szybkotnące P9 i P18 nagrzewa się w temperaturze 1200-1300C.

Mikrostruktura stali szybkotnącej R6M5: a) stan odlewu; b) po kuciu i wyżarzaniu;
c) po utwardzeniu; d) po wakacjach. ×500.

Tryby hartowania

• Hartowanie w jednym środowisku

Ogrzany produkt zanurza się w ośrodku chłodzącym, gdzie pozostaje do całkowitego ostygnięcia. Jest to najprostsza metoda hartowania, ale można ją stosować tylko w przypadku stali o niskiej zawartości węgla (do 0,8%) lub części o prostym kształcie. . Ograniczenia te są związane z naprężeniami termicznymi powstającymi podczas szybkiego chłodzenia – części o skomplikowanych kształtach mogą się wypaczać, a nawet pękać.

• Hartowanie stopniowe

Dzięki tej metodzie utwardzania produkt schładza się do temperatury 250-300°C w roztworze soli przez 2-3 minuty w celu złagodzenia naprężeń termicznych, a następnie schładza się na powietrzu. Pomaga to zapobiegać pęknięciom lub wypaczeniu części. Wadą tej metody jest stosunkowo mała szybkość chłodzenia, dlatego stosuje się ją do małych (do 10 mm średnicy) części wykonanych z węgla lub większych ze stali stopowych, dla których szybkość utwardzania nie jest tak krytyczna.

• Hartowanie w dwóch środowiskach

Rozpoczyna się szybkim schładzaniem w wodzie, a kończy powolnym schładzaniem w oleju. Zazwyczaj takie hartowanie stosuje się do wyrobów wykonanych ze stali narzędziowych. Główna trudność polega na obliczeniu czasu chłodzenia w pierwszym środowisku.

• Hartowanie powierzchniowe (laser, prądy wysokiej częstotliwości)

Stosowany do części, które muszą być twarde na powierzchni, ale mają lepki rdzeń, na przykład zęby przekładni. Na hartowanie powierzchniowe zewnętrzna warstwa metalu jest podgrzewana do wartości nadkrytycznych, a następnie chłodzona albo podczas procesu usuwania ciepła (przy hartowaniu laserowym), albo poprzez ciecz krążącą w specjalnym obwodzie indukcyjnym (przy hartowaniu prądem o wysokiej częstotliwości)

Wakacje

Stal hartowana staje się nadmiernie krucha, co jest główną wadą tej metody hartowania. Aby znormalizować właściwości strukturalne, przeprowadza się odpuszczanie - ogrzewanie do temperatury poniżej przemiany fazowej, przetrzymywanie i powolne chłodzenie. Podczas odpuszczania następuje częściowe „anulowanie” hartowania, stal staje się nieco mniej twarda, ale bardziej plastyczna. Wyróżnia się odpuszczanie niskie (150-200°C dla narzędzi i części o zwiększonej odporności na zużycie), średnie (300-400°C dla sprężyn) i wysokie (550-650°C dla części mocno obciążonych).

Tabela temperatur dla stali hartowanych i odpuszczanych

NIE.	gatunek stali	Twardość (HRCe)	Temperatura hartowanie, stopnie C	Temperatura wakacje, stopnie C	Temperatura zak. HDTV, stopień C	Temperatura cement., stopień C	Temperatura wyżarzanie, stopnie C	Hartować. Środa	Notatka
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Stal 20	57…63	790…820	160…200		920…950		Woda
2	Stal 35	30…34	830…840	490…510				Woda
		33…35		450…500
		42…48		180…200	860…880
3	Stal 45	20…25	820…840	550…600				Woda
		20…28		550…580
		24…28		500…550
		30…34		490…520
		42…51		180…220					Sech. do 40 mm
		49…57		200…220	840…880
							780…820		Z piekarnikiem
4	Stal 65G	28…33	790…810	550…580				Olej	Sech. do 60 mm
		43…49		340…380					Sech. do 10 mm (sprężyny)
		55…61		160…220					Sech. do 30 mm
5	Stal 20Х	57…63	800…820	160…200		900…950		Olej
		59…63		180…220	850…870	900…950		Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
		«-					840…860
6	Stal 40Х	24…28	840…860	500…550				Olej
		30…34		490…520
		47…51		180…200					Sech. do 30 mm
		47…57			860…900			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
		48…54							Azotowanie
							840…860
7	Stal 50Х	25…32	830…850	550…620				Olej	Sech. do 100 mm
		49…55		180…200					Sech. do 45 mm
		53…59		180…200	880…900			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
							860…880
8	Stal 12ХН3А	57…63	780…800	180…200		900…920		Olej
		50…63		180…200	850…870			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
							840…870		Z piekarnikiem do 550…650
9	Stal 38Х2МУА	23…29	930…950	650…670				Olej	Sech. do 100 mm
				650…670					Normalizacja 930…970
		WN > 670							Azotowanie
10	Stal 7KhG2VM						770…790		Z piekarnikiem do 550
		28…30	860…875	560…580				Powietrze	Sech. do 200 mm
		58…61		210…230					Sech. do 120 mm
11	Stal 60S2A						840…860		Z piekarnikiem
		44…51	850…870	420…480				Olej	Sech. do 20 mm
12	Stal 35ХГС						880…900		Z piekarnikiem do 500…650
		50…53	870…890	180…200				Olej
13	Stal 50HFA	25…33	850…880	580…600				Olej
		51…56	850…870	180…200					Sech. do 30 mm
		53…59		180…220	880…940			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
14	Stal ŘХ15						790…810		Z piekarnikiem do 600
		59…63	840…850	160…180				Olej	Sech. do 20 mm
		51…57		300…400
		42…51		400…500
15	Stal U7, U7A	NV					740…760		Z piekarnikiem do 600
		44…51	800…830	300…400				Woda do 250, olej	Sech. do 18 mm
		55…61		200…300
		61…64		160…200
		61…64		160…200				Olej	Sech. do 5 mm
16	Stal U8, U8A	NV					740…760		Z piekarnikiem do 600
		37…46	790…820	400…500				Woda do 250, olej	Sech. do 60 mm
		61…65		160…200
		61…65		160…200				Olej	Sech. do 8 mm
		61…65		160…180	880…900			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
17	Stal U10, U10A	NV					750…770
		40…48	770…800	400…500				Woda do 250, olej	Sech. do 60 mm
		50…63		160…200
		61…65		160…200				Olej	Sech. do 8 mm
		59…65		160…180	880…900			Roztwór wodny	0,2…0,7% poliakrylanidu
18	Stal 9ХС						790…810		Z piekarnikiem do 600
		45…55	860…880	450…500				Olej	Sech. do 30 mm
		40…48		500…600
		59…63		180…240					Sech. do 40 mm
19	Stal HVG						780…800		Z piekarnikiem do 650
		59…63	820…850	180…220				Olej	Sech. do 60 mm
		36…47		500…600
		55…57		280…340					Sech. do 70 mm
20	Stal X12M	61…63	1000…1030	190…210				Olej	Sech. do 140mm
		57…58		320…350
21	Stal R6M5	18…23					800…830		Z piekarnikiem do 600
		64…66	1210…1230	560…570 3 razy				Olej, powietrze	W oleju do 300...450 stopni, w powietrzu do 20
		26…29		780…800					Ekspozycja 2...3 godziny, powietrze
22	Stal P18	18…26					860…880		Z piekarnikiem do 600
		62…65	1260…1280	560…570 3 razy				Olej, powietrze	W oleju do 150...200 stopni, w powietrzu do 20
23	Sprężyny. klasa stali. II			250…320					Po zwinięciu sprężyn na zimno 30 minut
24	Stal 5ХНМ, 5ХНВ	>= 57	840…860	460…520				Olej	Sech. do 100 mm
		42…46							Sech. 100..200 mm
		39…43							Sech. 200..300 mm
		37…42							Sech. 300..500 mm
		НV >= 450							Azotowanie. Sech. Św. 70 mm
25	Stal 30KhGSA	19…27	890…910	660…680				Olej
		27…34		580…600
		34…39		500…540
		«-					770…790		Z piekarnikiem do 650
26	Stal 12Х18Н9Т		1100…1150					Woda
27	Stal 40ХН2МА, 40ХН2ВА	30…36	840…860	600…650				Olej
		34…39		550…600
28	Stal EI961Sh	27…33	1000…1010	660…690				Olej	13Х11Н2В2НФ
		34…39		560…590					Przy t>6 mm wody
29	Stal 20Х13	27…35	1050	550…600				Powietrze
		43,5…50,5		200
30	Stal 40Х13	49,5…56	1000…1050	200…300				Olej

Obróbka cieplna metali nieżelaznych

Stopy na bazie innych metali nie reagują na hartowanie tak dobrze jak stal, ale ich twardość można również zwiększyć poprzez obróbkę cieplną. Zazwyczaj stosuje się kombinację hartowania i wyżarzania wstępnego (ogrzewanie powyżej punktu przemiany fazowej z powolnym chłodzeniem).

• Brązy (stopy miedzi) wyżarza się w temperaturze tuż poniżej temperatury topnienia, a następnie hartuje poprzez chłodzenie wodą. Temperatura hartowania od 750 do 950C w zależności od składu stopu. Odpuszczanie w temperaturze 200-400C prowadzi się przez 2-4 godziny. Najwyższe wartości twardości, aż do HV300 (około HRC 34), można uzyskać dla wyrobów wykonanych z brązu berylowego.
• Twardość srebra można zwiększyć poprzez wyżarzanie do temperatury zbliżonej do temperatury topnienia (matowoczerwony kolor), a następnie utwardzanie.
• Różne stopy niklu wyżarza się w temperaturze 700-1185C, tak szeroki zakres wynika z różnorodności ich składu. Do chłodzenia stosuje się roztwory soli, których cząstki usuwa się następnie wodą lub gazami ochronnymi zapobiegającymi utlenianiu (suchy azot, suchy wodór).

Sprzęt i materiały

Do podgrzewania metalu podczas obróbki cieplnej stosuje się 4 główne typy pieców:
- kąpiel elektrod solnych
- piec komorowy
- piec do spalania ciągłego
- piekarnik próżniowy

Jako media hartownicze, w których następuje chłodzenie, stosuje się ciecze (woda, olej mineralny, specjalne polimery wodne (Thermat), roztwory soli), powietrze i gazy (azot, argon), a nawet metale niskotopliwe. Samo urządzenie, w którym następuje chłodzenie, nazywane jest kąpielą hartowniczą i jest zbiornikiem, w którym następuje laminarne mieszanie cieczy. Ważną cechą kąpieli hartowniczej jest jakość usuwania płaszcza parowego.

Starzenie i inne metody hartowania

Starzenie się- inny rodzaj obróbki cieplnej, który pozwala na zwiększenie twardości stopów aluminium, magnezu, tytanu, niklu i niektórych stali nierdzewnych, które są wstępnie utwardzane bez transformacji polimorficznej. W procesie starzenia wzrasta twardość i wytrzymałość, a maleje plastyczność.

• Stopy aluminium, na przykład duraluminium (4-5% miedzi) i stopy z dodatkiem niklu i żelaza, przechowuje się przez godzinę w temperaturze 100-180 ° C
• Stopy niklu poddawane są starzeniu w 2-3 etapach, co łącznie trwa od 6 do 30 godzin w temperaturach od 595 do 845C. Niektóre stopy są wstępnie utwardzane w temperaturze 790-1220C. Części wykonane ze stopów niklu umieszczane są w dodatkowych pojemnikach zabezpieczających je przed kontaktem z powietrzem. Do ogrzewania służą piece elektryczne, do małych części można stosować kąpiele elektrodowe solne.
• Stale maraging (wysokostopowe, bezwęglowe stopy żelaza) starzeją się przez około 3 godziny w temperaturze 480-500C po wstępnym wyżarzaniu w temperaturze 820C

Obróbka chemiczno-termiczna- nasycenie warstwy wierzchniej pierwiastkami stopowymi,

• niemetaliczne: węgiel (cementowanie) i azot (azotowanie) stosowane są w celu zwiększenia odporności na zużycie kolan, wałów, przekładni wykonanych ze stali niskowęglowych
• metal: na przykład krzem (silikonizacja) i chrom pomagają zwiększyć odporność części na zużycie i korozję

Cementowanie i azotowanie odbywa się w szybowych piecach elektrycznych. Istnieją również jednostki uniwersalne, które pozwalają na wykonanie całego zakresu prac związanych z obróbką termochemiczną wyrobów stalowych.

Obróbka ciśnieniowa (hartowanie) – wzrost twardości w wyniku odkształcenia plastycznego w stosunkowo niskich temperaturach. W ten sposób podczas kucia matrycowego wzmacniane są stale niskowęglowe, a także czysta miedź i aluminium.

Podczas obróbki cieplnej wyroby stalowe mogą ulegać niesamowitym przemianom, uzyskując odporność na zużycie i twardość wielokrotnie większą niż materiał źródłowy. Zakres zmian twardości stopów metali nieżelaznych podczas obróbki cieplnej jest znacznie mniejszy, jednak ich unikalne właściwości często nie wymagają poprawy na dużą skalę.

Piece grzewcze. Do obróbki cieplnej piece stosowane w ciepłowniach dzielą się w następujący sposób.

1. Przez cechy technologiczne, uniwersalny do wyżarzania, normalizowania i wysokiego odpuszczania, specjalny cel do podgrzewania podobnych części.

2. Według przyjętej temperatury: niska temperatura (do 600°C), średnia temperatura (do 1000°C) i wysoka temperatura (powyżej 1000°C).

3. Ze względu na charakter załadunku i rozładunku: piece z paleniskiem stałym, z paleniskiem wysuwanym, elewatorem, dzwonowe, wielokomorowe.

4. Według źródła ciepła: olej opałowy, gaz, elektryczny Ostatnio powszechne stały się piece gazowe i elektryczne.

5. Piece łazienkowe ołowiowe, solne i inne. Nagrzewanie części w kąpielach ołowiowo-solnych jest równomierne i szybsze niż w piecach.

6. Instalacje grzewcze: do ogrzewania części HDTV, do elektrycznego ogrzewania stykowego itp.

7. W zależności od środowiska, w którym nagrzewane są części, wyróżnia się piece z atmosferą powietrzną (utleniającą) i piece z atmosferą kontrolowaną lub ochronną (nieutleniającą). Atmosfery kontrolowane to mieszaniny gazów, w których gazy neutralizują się podczas ogrzewania, zapobiegając w ten sposób utlenianiu części.

Temperatura ogrzewania odgrywa dominującą rolę dla każdego rodzaju obróbki cieplnej, w zależności od skład chemiczny wyznaczone na podstawie diagramu fazowego żelazo-cementyt (ryc. 6.3). W praktyce temperatury ogrzewania dobiera się z tabel referencyjnych.

Czas nagrzewania (szybkość nagrzewania) zależy od wielu czynników: składu chemicznego stali, wielkości i kształtu produktów, względnego położenia produktu w piecu itp.

Im więcej węgla i pierwiastków stopowych w stali i im bardziej złożona jest konfiguracja produktu, tym wolniejsze powinno być nagrzewanie. Przy szybkim nagrzewaniu, ze względu na duży zakres temperatur powierzchni i rdzenia, w wyrobie powstają duże naprężenia wewnętrzne , co może spowodować wypaczenie części i pęknięcia.

Zwykle produkty ładuje się do piekarnika nagrzanego do określonej temperatury. W tym przypadku czas nagrzewania można wyznaczyć korzystając ze wzoru prof. AP Gulajewa:

gdzie d - minimalny rozmiar maksymalny przekrój w mm;

K 1 to współczynnik kształtu, który ma następujące wartości: dla kuli -1, dla cylindra -2, równoległościanu - 2,5, płyty - 4;

K 2 to współczynnik środowiska, które po podgrzaniu w soli wynosi 1, w ołowiu - 0,5, w ośrodku gazowym - 2,

K 3 - współczynnik równomierności ogrzewania (tabela 6.1)

Ryc.6.3. Strefy temperaturowe dla różnych rodzajów obróbki cieplnej

Czas trzymania. W przypadku każdego rodzaju obróbki cieplnej, po osiągnięciu przez produkt określonej temperatury, wymagana jest ekspozycja, aby nastąpiły całkowite zmiany strukturalne. Czas utrzymywania zależy od wielkości części, metody ogrzewania, gatunku stali i rodzaju obróbki cieplnej. Tabela 6.2 zawiera dane dotyczące wyznaczania czasu przetrzymywania stali węglowych.

Całkowity czas ogrzewania zostanie określony według wzoru:

gdzie τ Н to czas ogrzewania w minutach; τ B — czas przetrzymywania w min.

Oprócz metody obliczeniowej często wykorzystuje się dane eksperymentalne, dlatego dla 1 mm przekroju lub grubości wyrobu wykonanego ze stali podeutektoidalnych przyjmuje się czas nagrzewania w piecach elektrycznych τ H = 45-75 s. Czas ekspozycji w danej temperaturze często przyjmuje się jako τ B = (0,15+0,25) τ N. Dla narzędzi wykonanych ze stali węglowej (0,7-1,3% C) zaleca się 1 mm najmniejszego przekroju τ B = 50 -80 s, a ze stali stopowej τ B = 70-90 s.

Tempo schładzania. W każdym rodzaju obróbki cieplnej ostatecznym celem jest uzyskanie odpowiedniej struktury. Osiąga się to poprzez szybkość chłodzenia, która jest określona przez rodzaj obróbki cieplnej. Tabela 6.3 przedstawia szybkości chłodzenia dla różnych rodzajów obróbki cieplnej.

Wartości współczynnika K 3 w zależności od umiejscowienia produktów w piecu grzewczym

Czas utrzymywania obróbki cieplnej

Szybkość chłodzenia przy różne rodzaje obróbka cieplna stali węglowych

Nie znalazłeś tego, czego szukałeś? Skorzystaj z wyszukiwania:

Najlepsze powiedzenia: Student to osoba, która nieustannie odkłada na później to, co nieuniknione. 10179 — | 7217 - lub przeczytaj całość.

Hartowanie- rodzaj obróbki cieplnej materiałów (metali, stopów metali, szkła), polegający na ich wyższym nagrzaniu punkt krytyczny(temperatura zmiany rodzaju sieci krystalicznej, czyli przemiany polimorficznej, czyli temperatura, w której fazy występujące w niskich temperaturach rozpuszczają się w osnowie), a następnie szybkie chłodzenie. Hartowania metalu w celu uzyskania nadmiaru wakatów nie należy łączyć z hartowaniem konwencjonalnym, które wymaga ewentualnych przemian fazowych w stopie. Najczęściej chłodzenie odbywa się w wodzie lub oleju, ale istnieją inne metody chłodzenia: w pseudowrzącej warstwie stałego chłodziwa, strumieniu sprężonego powietrza, mgle wodnej, w ciekłym ośrodku hartującym polimer itp. Hartowany materiał zyskuje większą twardość, ale staje się kruchy, mniej plastyczny i mniej lepki, jeśli wykonuje się więcej powtórzeń ogrzewania i chłodzenia. W celu zmniejszenia kruchości oraz zwiększenia ciągliwości i wytrzymałości po hartowaniu z przemianą polimorficzną stosuje się odpuszczanie. Po hartowaniu bez transformacji polimorficznej stosuje się starzenie. Podczas odpuszczania następuje nieznaczny spadek twardości i wytrzymałości materiału.

Wewnętrzny stres zostaje złagodzony wakacje materiał. W niektórych produktach hartowanie odbywa się częściowo, np. przy produkcji japońskich katan hartowana jest tylko krawędź tnąca miecza.

Znaczący wkład w rozwój metod hartowania wniósł Dmitrij Konstantinowicz Czernow. Udowodnił i udowodnił doświadczalnie, że w celu uzyskania stali Wysoka jakość Decydującym czynnikiem nie jest kucie, jak wcześniej zakładano, ale obróbka cieplna. Określił wpływ obróbki cieplnej stali na jej strukturę i właściwości. W 1868 roku Czernow odkrył punkty krytyczne przemian fazowych w stali, zwane punktami Czernowa. W 1885 roku odkrył, że utwardzanie można przeprowadzić nie tylko w wodzie i oleju, ale także w gorącym środowisku. Odkrycie to zapoczątkowało zastosowanie hartowania stopniowego, a później badania przemiany izotermicznej austenitu.

Rodzaje hartowania [edytuj | edytuj kod]

Przez transformację polimorficzną

• Hartowanie z przemianą polimorficzną, dla stali
• Hartowanie bez transformacji polimorficznej, dla większości metali nieżelaznych.

Przez temperaturę ogrzewania Kompletny - materiał nagrzewa się 30 - 50°C powyżej linii GS dla stali podeutektoidalnej i eutektoidalnej, nadeutektoidalnej linii PSK, w tym przypadku stal uzyskuje strukturę austenitu i austenitu + cementytu. Niecałkowite - nagrzewanie odbywa się powyżej linii wykresu PSK, co prowadzi do powstania faz nadmiarowych pod koniec utwardzania. Częściowe hartowanie jest zwykle stosowane w przypadku stali narzędziowych.

Media gaszące [edytuj | edytuj kod]

Podczas hartowania, aby przechłodzić austenit do temperatury przemiany martenzytycznej, wymagane jest szybkie chłodzenie, ale nie w całym zakresie temperatur, ale tylko w granicach 650-400 °C, czyli w zakresie temperatur, w którym austenit jest najmniej stabilny i najszybszy zamienia się w mieszaninę ferrytu. Powyżej 650°C szybkość przemiany austenitu jest niewielka, dlatego też mieszaninę podczas hartowania można w tym zakresie temperatur powoli chłodzić, ale oczywiście nie na tyle, aby nastąpiło wytrącanie ferrytu lub przemiana austenitu w perlit.

Mechanizm działania mediów hartujących (woda, olej, media hartownicze wodno-polimerowe, a także chłodzenie części w roztworach soli) jest następujący. W momencie zanurzenia produktu w medium hartującym tworzy się wokół niego warstewka pary przegrzanej, przez warstwę tego płaszcza parowego następuje chłodzenie, czyli stosunkowo powolne. Kiedy temperatura powierzchni osiągnie określoną wartość (określoną przez skład cieczy hartowniczej), przy której płaszcz parowy pęka, ciecz zaczyna wrzeć na powierzchni części i szybko następuje chłodzenie.

Pierwszy etap stosunkowo powolnego wrzenia nazywany jest etapem wrzenia filmowego, drugi etap szybkiego chłodzenia to etap wrzenia zarodkowego. Gdy temperatura powierzchni metalu jest niższa od temperatury wrzenia cieczy, ciecz nie może już wrzeć, a chłodzenie będzie wolniejsze. Ten etap nazywa się konwekcyjnym przenoszeniem ciepła.

Metody hartowania [edytuj | edytuj kod]

• Hartowanie w jednej chłodnicy- część nagrzana do określonej temperatury zanurza się w cieczy hartowniczej, gdzie pozostaje aż do całkowitego ochłodzenia. Metodę tę stosuje się przy hartowaniu prostych części wykonanych ze stali węglowych i stopowych.
• Hartowanie przerywane w dwóch środowiskach- tę metodę stosuje się przy hartowaniu stali wysokowęglowych. Część jest najpierw szybko schładzana w szybko chłodzącym ośrodku (na przykład wodzie), a następnie w wolno schładzającym się ośrodku (oleju).
• Hartowanie strumieniowe polega na spryskaniu części intensywnym strumieniem wody i stosowana jest najczęściej w przypadku konieczności utwardzenia części. Dzięki tej metodzie nie tworzy się płaszcz parowy, co zapewnia głębszą hartowność niż zwykłe hartowanie w wodzie. Hartowanie takie zwykle przeprowadza się w cewkach indukcyjnych w instalacjach HDTV.
• Hartowanie stopniowe- hartowanie, podczas którego część jest chłodzona w ośrodku hartowniczym o temperaturze wyższej od temperatury martenzytycznej dla danej stali. Po ochłodzeniu i przetrzymywaniu w tym środowisku hartowana część musi uzyskać temperaturę kąpieli hartowniczej we wszystkich punktach przekroju poprzecznego. Następnie następuje ostateczne, zwykle powolne chłodzenie, podczas którego następuje hartowanie, czyli przemiana austenitu w martenzyt.
• Hartowanie izotermiczne. W przeciwieństwie do hartowania stopniowego, przy hartowaniu izotermicznym konieczne jest utrzymywanie stali w ośrodku hartowniczym tak długo, aby mogła zakończyć się izotermiczna przemiana austenitu.
• Hartowanie laserowe. Hartowanie cieplne metali i stopów za pomocą promieniowania laserowego polega na miejscowym nagrzaniu powierzchni pod wpływem promieniowania i późniejszym ochłodzeniu tej powierzchni z prędkością nadkrytyczną w wyniku odprowadzania ciepła do wewnętrznych warstw metalu. W odróżnieniu od innych znanych procesów hartowania termicznego (hartowanie prądami o wysokiej częstotliwości, nagrzewanie elektryczne, hartowanie w stanie stopionym i inne metody), nagrzewanie podczas hartowania laserowego nie jest procesem objętościowym, lecz powierzchniowym.
• Hartowanie wysoką częstotliwością (indukcja)- hartowanie prądami wysokiej częstotliwości - część umieszczana jest w cewce indukcyjnej i podgrzewana poprzez indukcję w niej prądów o wysokiej częstotliwości.

Wady [edytuj | edytuj kod]

Wady powstające podczas hartowania stali.

• Niewystarczająca twardość część hartowana - konsekwencja niskiej temperatury nagrzewania, krótkiego przebywania w temperaturze roboczej lub niewystarczającej szybkości chłodzenia. Korekta wada : normalizacja lub wyżarzanie, a następnie hartowanie; zastosowanie bardziej energetycznego środka hartującego.
• Przegrzać związane z nagrzaniem wyrobu do temperatury znacznie wyższej niż temperatura nagrzania wymagana do hartowania. Przegrzaniu towarzyszy powstawanie gruboziarnistej struktury, co skutkuje zwiększoną kruchością stali. Korekta wady: wyżarzanie (normalizacja) i późniejsze hartowanie w wymaganej temperaturze.
• Wypalić się występuje, gdy stal jest podgrzewana do bardzo wysokich temperatur, bliskich temperatury topnienia (1200-1300°C) w atmosferze utleniającej. Tlen wnika w stal, a wzdłuż granic ziaren tworzą się tlenki. Taka stal jest krucha i nie da się jej naprawić.
• Utlenianie i dekarbonizacja stale charakteryzują się tworzeniem się kamienia (tlenków) na powierzchni części i wypalaniem węgla w warstwach powierzchniowych. Tego typu wady nie można skorygować poprzez obróbkę cieplną. Jeśli zasiłek na to pozwala obróbka warstwę utlenioną i odwęgloną należy usunąć poprzez szlifowanie. Aby zapobiec tego typu defektom, zaleca się podgrzewanie części w piecach z atmosferą ochronną.
• Wypaczanie i pękanie - skutki naprężeń wewnętrznych. Podczas nagrzewania i chłodzenia stali obserwuje się zmiany objętościowe w zależności od temperatury i przemian strukturalnych (przejściu austenitu w martenzyt towarzyszy wzrost objętości do 3%). Różne czasy przemian objętości hartowanej części, wynikające z jej różnych rozmiarów i szybkości chłodzenia przekroju, prowadzą do powstania silnych naprężeń wewnętrznych, które w procesie hartowania powodują pęknięcia i wypaczenia części.

Chłodzenie jest końcowym etapem obróbki cieplnej-hartowania i dlatego najważniejszym. Kształtowanie się struktury, a co za tym idzie i właściwości próbki, zależy od szybkości chłodzenia.

Jeśli poprzednio temperatura ogrzewania w celu hartowania była czynnikiem zmiennym, teraz szybkość chłodzenia będzie inna (w wodzie, w słonej wodzie, w powietrzu, w oleju i za pomocą pieca).

Wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia wzrasta również stopień przechłodzenia austenitu, temperatura rozkładu austenitu maleje, zwiększa się liczba zarodków, ale jednocześnie spowalnia dyfuzja węgla. Dlatego mieszanina ferrytowo-cementytowa staje się bardziej rozproszona, a twardość i wytrzymałość wzrasta. Przy powolnym chłodzeniu (piecem) otrzymuje się gruboziarnistą mieszaninę F + C, tj. perlit to wyżarzanie drugiego rodzaju, z rekrystalizacją fazową. Przy przyspieszonym chłodzeniu (w powietrzu) ​​- rzadsza mieszanina F + C - sorbitol. To przetwarzanie nazywa się normalizacją.

Hartowanie w oleju daje trostit, wysoce zdyspergowaną mieszaninę F+C.

Twardość tych struktur wzrasta wraz z dyspersją mieszaniny (HB = 2000 ÷ 4000 MPa). Struktury te można również otrzymać poprzez hartowanie izotermiczne.

Biorąc pod uwagę diagram termokinetyczny, tj. na schemacie izotermicznego rozkładu austenitu wraz z wektorami szybkości chłodzenia widzimy, że zwiększając szybkość chłodzenia można otrzymać trostyt razem z hartowanym martenzytem. Jeżeli szybkość chłodzenia jest większa od krytycznej, otrzymujemy martenzyt hartowniczy i austenit szczątkowy, których eliminację można przeprowadzić przez ochłodzenie stali do temperatury poniżej linii końcowej przemiany martenzytycznej (Mc).

Martenzyt ma większą objętość niż austenit, dlatego podczas utwardzania na martenzycie pojawiają się nie tylko naprężenia termiczne, ale także strukturalne. Kształt części może ulec zniekształceniu, mogą pojawić się w niej mikro- i makropęknięcia. Wypaczenia i pęknięcia są wadą nieodwracalną, dlatego bezpośrednio po stwardnieniu do martenzytu część należy podgrzać w celu złagodzenia naprężeń i ustabilizowania konstrukcji. Ta operacja obróbki cieplnej nazywa się odpuszczaniem.

Po utwardzeniu próbek, zbadaniu mikrostruktur i określeniu twardości sporządza się wykresy zależności twardości od zawartości węgla. Im więcej węgla w austenicie stali przed hartowaniem, tym bardziej zniekształcona jest sieć martenzytyczna (z większym stopniem tetragonalności), a zatem tym wyższa twardość.

Stal zawierająca 0,2% C nie przyjmuje hartowania, ponieważ krzywe rozkładu izotermicznego austenitu zbliżają się blisko osi rzędnych. Nawet bardzo duża szybkość chłodzenia nie powoduje wytworzenia martenzytu, ponieważ austenit zacznie wcześniej rozkładać się na mieszaninę F+C. Dlatego stal ulega hartowaniu, jeśli zawartość węgla jest większa niż 0,3% C, ponieważ węgiel przesuwa krzywe rozkładu izotermicznego austenitu w prawo, zmniejszając w ten sposób krytyczną szybkość hartowania.

Oznaczanie właściwości i struktury stali po odpuszczaniu

Martenzyt otrzymany po hartowaniu ma wysoką twardość i wytrzymałość, ale niską ciągliwość i wytrzymałość. Tłumaczy się to dużymi naprężeniami wewnętrznymi, termicznymi (spadek temperatury, nagłe ochłodzenie) i strukturalnymi (objętość martenzytu jest większa niż austenitu, sorbitolu, trostytu i perlitu). Po stwardnieniu należy natychmiast odpuścić tj. ogrzewanie do określonych temperatur, utrzymywanie i chłodzenie. Jednocześnie zmniejszają się naprężenia, zmienia się struktura i właściwości stali. Temperaturę odpuszczania wybiera się poniżej A c 1, aby utrzymać efekt utwardzania podczas hartowania. Wyróżnia się niskie odpuszczanie (150-200 0 C), średnie (350-450 0 C) i wysokie (500-650 0 C).

Jeśli przy niskim odpuszczaniu naprężenia maleją, odkształcenie (tetragonalność) sieci martenzytycznej maleje i ponownie staje się sześcienna, austenit szczątkowy przekształca się w martenzyt sześcienny, to przy średnim i wysokim odpuszczaniu martenzyt rozkłada się na mieszaninę F + C.

Po niskim odpuszczaniu twardość i wytrzymałość pozostają na niezmienionym poziomie wysoki poziom(HRC 58-63). Narzędzia skrawające i pomiarowe, części po obróbce chemiczno-termicznej (cementowaniu) poddawane są niskiemu odpuszczaniu.

1. Określanie najlepszej temperatury utwardzania dla stali o zawartości węgla 0,4% - stal podeutektoidalna - i o zawartości węgla 1,0% - stal nadeutektoidalna.

Protokół badania twardości po hartowaniu w wodzie