Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Гартува́ння, гарт[1] (від нім. hart — «твердий», можливо, через пол. hart)[2] — це зміцнювальна термічна обробка, яка полягає в нагріві матеріалів (виробів) до температур вище від критичних точок (температури поліморфного перетворення або температури, при якій в матриці розчиняються фази, що існують за низької температури), витримці і подальшому охолодженні зі швидкістю більшою за критичну з метою фіксації високотемпературного стану матеріалу[3].
Гартуванню в основному піддають сплави металів (наприклад, сталь, алюмінієві і титанові сплави) і скло. Мета гартування сталей — одержати мартенситну структуру з рівномірним розподілом вуглецю й підвищити твердість та міцність сталі. Гартування сталі проводять спочатку нагріванням виробу вище від температури фазового перетворення у структуру аустеніту, після чого виріб охолоджують зі швидкістю, достатньою для переходу у нерівноважну структуру (мартенсит), яка виключає можливість дифузійного розпаду аустеніту в перлітній і бейнітній областях. Найменша швидкість охолодження, що забезпечує розвиток мартенситного перетворення, називається критичною і залежить від вмісту у сталі вуглецю та легувальних елементів (чим складнішим є хімічний склад сталі, тим нижчою є критична швидкість охолодження). Мінімальна швидкість охолодження вуглецевих сталей, при якій не відбувається розпад аустеніту (критична швидкість), становить 150…300 °С/с. Мартенситне перетворення відбувається в умовах безперервного охолодження в інтервалі температур початку та кінця перетворення.
Про гартування заліза у холодній воді згадує Георг Агрікола в своїй роботі De Re Metallica (1556 р.) .
Головні параметри процесу гартування:
Гартування не є остаточною операцією термічного оброблення. Щоб зменшити крихкість і внутрішні напруження в матеріалі, спричинені гартуванням, й отримати потрібних механічних властивостей, сталь після гартування обов'язково піддають відпусканню при 100…650 °C. Інструментальну сталь піддають гартуванню й відпусканню з метою підвищення твердості, зносостійкості та міцності, а конструкційну — для підвищення міцності, твердості, пластичності та ударної в'язкості.
Доевтектоїдні сталі при гартуванні нагрівають до температури на 30…50 °C вище за точку A3 (див. Діаграма стану сплавів залізо-вуглець). У цьому випадку сталь з вихідною структурою перліт-ферит при нагріванні набуває аустенітної структури, яка при подальшому охолодженні зі швидкістю вищою за критичну перетворюється у мартенсит. Гартування від температур, що відповідають інтервалу A1-A3 не застосовують.
Заевтектоїдні сталі під гартування нагрівають дещо вище (на 15…20°) за температуру точки A1. При такому нагріванні утворюється аустеніт при збереженні деякої кількості вторинного цементиту. Після охолодження структура сталі складається з мартенситу й нерозчинних частинок карбідів, що характеризуються високою твердістю. Верхню межу температури гартування для більшості заевтектоїдних сталей обмежують через ріст зерна, що створює умови для крихкого руйнування.
Тривалість нагрівання визначається необхідністю забезпечення прогрівання виробу по перерізу й завершення фазових перетворень у матеріалі, але не повинна бути надто великою, щоб не спричинити росту зерна та зневуглецьовування поверхневих шарів сталі. Загальна тривалість нагрівання обумовлюється формою і розміром виробу, типом печі, складом і властивостями сталі тощо і часто підбирається дослідним шляхом. Емпірично можна прогнозувати наступні інтервали нагрівання на 1 мм перерізу деталі: в електропечі 1,5…2 хв; у плазмовій печі 1 хв; у сольовій ванні 0,5 хв; у свинцевій ванні 0,1…0,15 хв.
Тривалість витримування при заданій температурі нагрівання для деталей машин часто приймають у діапазоні 15…25 % від тривалості наскрізного прогрівання.
Під час нагрівання та витримки при високій температурі внаслідок взаємодії металу з атмосферним середовищем (киснем, воднем, вуглекислим газом) відбуваються окисно-відновні реакції, що призводять до вигоряння вуглецю в поверхневих шарах та утворення оксидів.
Інтенсивність окиснення та зневуглецювання сталі залежить від температури та тривалості нагрівання, складу навколишнього середовища і складу сталі. При температурах, що перевищують 500 °С, сталь починає інтенсивно окислюватись, але при швидкому нагріванні окислення сталі незначне. Наприклад, при нагріванні деталей струмами високої частоти на відкритому повітрі через малу тривалість нагрівання (3…7 с) окиснення практично відсутнє.
Робочий простір нагрівальних печей звичайно заповнюють такі гази: СО2, СО, О2, Н2, Н2О, N2, СН4. Складові пічної атмосфери по-різному впливають на сталь. Так газ СО2 окиснює сталь, О2 і Н2О — окиснюють і зневуглецьовують СО і СН4 — навуглецьовують, Н2 — зневуглецьовує і відновлює оксиди заліза.
За певних температур і співвідношень у пічній атмосфері газів; можна домогтися навуглецювання, окиснення, зневуглецьовування або відновлення сталі.
Нагрівання деталей при термічній обробці проводять в термічних печах (камерних, шахтних, методичних, електричних, печах-ваннах). Щоб зменшити окиснення і зневуглецювання деталей, в печі подають контрольовані атмосфери, які містять значну кількість відновників, наприклад, суміш марки КГ складається з 20 % СО, з 20 % Н2, 60 %N2; атмосфера ПСО-06 містить 10 % CO; 15…16 % H2, 0,05…1,5 % CH4, 68…72 % N2, яка отримується частковим спалюванням природного газу, суміш ПСО-09 — 2 % CO; 2 % H2, 96 % N2, яка отримується майже повним спалюванням природного газу та ін.
Дедалі більше використовують нагрівання у вакуумі (зазвичай 10−2…10−3 мм рт. ст., іноді 10−4…10−6 мм рт. ст.), особливо для корозієстійких, жароміцних, електротехнічних і спеціальних сталей і сплавів.
Ефективним способом захисту деталей та інструментів від окислення є нагрівання у ваннах з розплавленим свинцем або розплавах солей (BaCl2), (NaNO3+KNO3), (NaOH+KOH)).
Усі перелічені способи, якими здійснюється поверхневе загартування сталей мають спільне те, що поверхневий шар деталі нагрівають до температури вищої за критичну точку A3 (див. діаграма стану сплавів залізо-вуглець), а потім швидко охолоджують з отриманням у поверхневому шарі структури мартенситу (загартованої сталі).
При гартуванні сталі можуть виникати такі дефекти[4]:
Сплавами кольорових металів, що їх загартовують, є найчастіше алюмінієві, магнієві та нікелеві. Гартування сплавів кольорових металів ґрунтується на явищі змінної розчинності компонентів в основному металі. Різке охолодження сплаву в області максимальної розчинності приводить до отримання пересиченого твердого розчину, що характеризується високою пластичністю і підвищеними (порівняно з рівноважним станом) твердістю й міцністю. При наступному нагріванні до 50…100 °C (старінні) відбувається виділення дрібнодисперсних надлишкових фаз, що супроводжується значним зміцненням та зниженням пластичності.
Загартоване скло — отримують із звичайного листового скла шляхом нагрівання до температури гартування (650…680 °C) з наступним швидким рівномірним охолодженням холодним повітрям з обох боків. В результаті такої обробки у поверхневих шарах скла утворюються залишкові механічні напруження стиску, що забезпечують його підвищену меанічну міцність, термотривкість та безпечність при руйнуванні[5].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
