Прогартування сталі

Прогартовуваність — здатність сталі одержувати в результаті гартування структуру мартенситу (або мартенситу і троститу) й відповідну їй високу твердість на потрібну глибину за перерізом деталі або зразка. Це головний критерій обґрунтованого вибору марки сталі для виготовлення деталей машин та інструментів. Якщо вироби повинні відрізнятися високими властивостями за всім перерізом, потрібно вибирати сталі з підвищеним прогартовуванням. У промисловості широко використовують сталі з підвищеним та зі зниженим прогартовуванням. В останньому випадку після гартування на поверхні деталі утворюється твердий зносостійкий шар на невеликій глибині, а серцевина її залишається м'якою та в'язкою.

Прогартовуваність залежить від хімічного складу сталі, розміру зерен аустеніту, перерізу загартованого виробу та умов охолодження при гартуванні. Чим більше зерно аустеніту, повніше розчинені в ньому карбіди і легуючі елементи, тим вища прогартовуваність сталі. Усі фактори, що підвищують швидкість охолодження сталі при гартуванні, також збільшують її прогартованість. Значно підвищують прогартованість легуючі елементи — хром, нікель, марганець, бор, кремній тощо.

Вуглецеві сталі у звичайних умовах гартування при охолодженні у воді повністю прогартовуються в деталях перерізом до 12–15 мм, тоді як леговані сталі залежно від їх хімічного складу можуть термооброблятися в перерізі до 50–100 і навіть 200–300 мм при охолодженні в маслі або на повітрі. Критерієм прогартовуваності є глибина напівмартенситної зони. У конструкційних сталей присутність деякої кількості трооститу поряд із мартенситом замало змінює твердість, тому визначити товщину шару тільки з мартенситною структурою важко. Краще визначати прогартовуваність за товщиною шару, що має мартенситну та напівмартенситну структури, тобто структури з 50% мартенситу та 50% трооститу, тоді як за наявності більше 50% трооститу твердість сплаву різко знижується. Крім того, напівмартенситний шар легко визначається мікроаналізом. Твердість напівмартенситного шару може бути встановлена раніше, якщо задана кількість вуглецю у сталі, що вивчається (табл. 8.1). Відомо кілька способів визначення прогартовуваності, які вибирають залежно від передбачених прогартовуваності сталі й перерізу зразка.

Таблиця 8.1 - Твердість шару зі структурою 50% мартенситу і 50% трооститу

Об'ємний метод використовують для вуглецевих, головним чином інструментальних сталей із низькою прогартовуваністю. Сутність цього методу полягає в тому, що зразок сталі квадратного або круглого перерізу з довжиною, в 2-3 рази більшою за товщину або діаметр, нагрівають і загартовують звичайним способом у воді чи іншому середовищі, вплив якого на прогартовуваність слід ураховувати. Охолоджений зразок зламують упоперек за середнім перерізом, обережно шліфують у місцях злому, виключаючи нагрівання зразка, і вимірюють твердість по діаметру через кожні 2 мм. За результатами випробувань у координатах «твердість-відстань» від центра зразка будують криву, за якою визначають глибину прогартовування (рис. 8.1).

Рисунок 8.1 - Графік розподілу твердості за перерізом загартованого зразка

Метод торцевого загартування застосовують для більш глибокого прогартовування легованих сталей, виконуючи гартування з наступним охолодженням у мастилі. Прогартовування визначають на круглих зразках діаметром 25 мм і довжиною 100 мм. Зразки нагрівають без окиснення поверхні нижнього торця в соляній ванні або в печі на вугільній пластинці, швидко (за 5 с) переносять в установку і подають воду. Тиск води регулюють попередньо так, щоб висота струменя була 65 мм. Діаметр сопла й висота виступу торця зразка над ним складає по 12,5 мм. Зразок витримують під струменем до повного охолодження (не менше ніж 10 хв). Температура води повинна бути 10–25 °С. Для вимірювання твердості за довжиною зразка зшліфовують (без нагрівання) шар товщиною 0,5 мм і вимірюють твердість, починаючи від нижнього торця зразка через кожні 3 мм.

Результати досліджень зображають графічно і за твердістю напівмартенситної зони визначають прогартовування сталі.

Метод теплового моделювання використовується для визначення прогартовуваності сталей, загартованих з охолодженням на повітрі. Він передбачає заміну маси металу теплоізоляційним шаром, наприклад азбестом. Шар ізоляції має забезпечувати віддачу теплоти зразком тільки через його торці, а між зразком та ізоляцією теплообміну не повинно бути. Нагріті до температури гартування зразки розміщують у нагріті до тієї самої температури пристосування з ізоляції, охолоджують на повітрі та вимірюють твердість за довжиною зразка.

Рисунок 8.2 - Діаграма визначення прогартування методом торцевого гартування: а - зразок; б - розподіл твердості за довжиною зразка