Гартування

Гартува́ння — це зміцнювальна термічна обробка, яка полягає в нагріві сталі до температури вище критичних точок, витримці і подальшому охолодженні зі швидкістю більшою за критичну.

Мета гартування — одержати мартенситну структуру з рівномірним розподілом вуглецю й підвищити твердість та міцність сталі.

Головні параметри процесу гартування:

• температура нагріву;
• час витримки;
• середовище, в якому нагрівають виріб;
• швидкість охолодження.
• режим відпуску.

Вибір температури нагрівання

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.

Способи гартування

• Загартування в одному охолоджувачі — нагріту до певних температур деталь занурюють у гартівну рідину, де вона залишається до повного охолодження. Цей спосіб застосовується при загартуванні нескладних деталей з вуглецевих і легованих сталей.

• Переривчасте гартування (у двох середовищах) — цей спосіб застосовують при загартуванні високовуглецевих сталей. Деталь спочатку швидко охолоджують у швидкоохолоджувальному середовищі (наприклад воді) до температури дещо вищої від температури мартенситного перетворення, а після цього в повільно охолоджувальному (наприклад, в оливі чи на повітрі). У результаті цього зменшуються внутрішні напруження, що виникають при гартуванні.

• Гартування із самовідпуском. У цьому випадку охолодження виробу у гартівному середовищі переривають, з тим щоб у серцевині виробу залишилась ще деяка кількість теплоти. Завдяки теплообміну температура в охолоджених поверхневих шарах підвищується й вирівнюється з температурою серцевини, яка залишилась незагартованою. У результаті відбувається самовідпускання у поверхневих шарах. Застосовують для таких інструментів, як зубила, слюсарні молотки, керни тощо, що працюють з ударними навантаженнями й повинні поєднувати високу твердість на поверхні з підвищеною в'язкістю всередині.

• Ступінчасте гартування — загартування, при якому деталь охолоджується в гартівному середовищі, що має температуру вище від мартенситної точки (переважно 180…250 °C) для даної сталі. При охолодженні і витримуванні в цьому середовищі деталь, яка гартується повинна досягнути у всіх точках перетину температури гартувальної ванни. Потім проводять остаточне, зазвичай повільне (на повітрі), охолодження, під час якого і відбувається загартування, тобто перетворення аустеніту в мартенсит із збереженням залишкового аустеніту. При ступінчастому загартуванні через присутність значної кількості залишкового аустеніту зменшуються об'ємні зміни, жолоблення та небезпека появи тріщин. У результаті відбувається деяке знеміцнення матеріалу і збільшення його пластичності. Використовується для правки виробів, схильних до жолоблення. Ступінчасте гартування вуглецевих сталей може бути застосоване лише для виробів діаметром до 8…10 мм, оскільки швидкість охолодження крупніших виробів у середовищі з температурою вищою за температуру мартенситного перетворення виявляється нижчою за критичну швидкість гартування й відбувається розпад аустеніту при високих температурах.

• Ізотермічне гартування. На відміну від ступінчастого загартування при ізотермічному слід витримувати сталь в гартівному середовищі з температурою вищою за температуру мартенситного перетворення стільки часу, щоб встигло закінчитися ізотермічне перетворення аустеніту. За такої витримки відбувається розпад аустеніту з утворенням нижнього бейніту. Для вуглецевих сталей ізотермічне гартування не дає суттєвого покращення механічних властивостей у порівнянні із звичайним гартуванням та відпуском.

• Поверхневе загартування — термічна обробка гартуванням, при якій гартується лише поверхневий шар виробу на задану глибину, тоді як серцевина виробу залишається незагартованою. В результаті поверхневий шар має високу міцність і твердість, а серцевина виробу залишається пластичною і в'язкою, що забезпечує високу зносостійкість і одночасно стійкість до динамічних навантажень. В промисловості знайшли застосування наступні методи поверхневого гартування: загартування з індукційним нагріванням струмами високої частоти (СВЧ) при масовому обробленні сталевих виробів; загартування з електроконтактним нагріванням; газополуменеве поверхневе загартування з нагріванням полум'ям газових чи ацетилен-кисневих пальників (температура полум'я може перевищувати 3000 °С) для одиничних крупних виробів; загартування в електроліті для невеликих деталей у масовому виробництві; лазерне загартування, що дозволяє суттєво збільшити зносостійкість та контактну міцність. 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).

Див. також

Загартовуваність Термічна обробка Відпалювання

Відпалювання сталі Відпуск сталей

Джерела

• Хільчевський В. В. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник.  К.: Либідь, 2002. — 328с. ISBN 966-06-0247-2
• Лахтин Ю. М. Основы металловедения. — М.: Металлургия, 1988. — 320с.
• Будник А. Ф. Типове обладнання термічних цехів та дільниць: Навчальний посібник.  — Суми: Вид-во СумДУ, 2008. — 212 с. ISBN 978-966-657-185-7