Устаткування твч для гартування сталі. Поверхневе загартування твч

Індукційне нагрівання відбувається в результаті розміщення оброблюваної деталі поблизу провідника змінного електричного струму, який називається індуктором. При проходженні індуктором струму високої частоти (ТВЧ) створюється електромагнітне поле і, якщо в цьому полі розташовується металевий виріб, то в ньому збуджується електрорушійна сила, яка викликає проходження по виробу змінного струму такої ж частоти, як і струм індуктора.

Таким чином наводиться теплова дія, яка викликає розігрів виробу. Теплова потужність Р, що виділяється в деталі, що нагрівається, дорівнюватиме:

де К – коефіцієнт, що залежить від конфігурації виробу та величини зазору, що утворюється між поверхнями виробу та індуктора; Iін – сила струму; f – частота струму (Гц); r - питомий електричний опір (Ом · см); m – магнітна проникність (Г/Е) сталі.

На процес індукційного нагрівання істотно впливає фізичне явище, зване поверхневим (скин) ефектом: струм індукується переважно в поверхневих шарах, і при високих частотах щільність струму в серцевині деталі мала. Глибина шару, що нагрівається оцінюється за формулою:

Підвищення частоти струму дозволяє концентрувати в невеликому обсязі деталі, що нагрівається, значну потужність. Завдяки цьому реалізується високошвидкісне (до 500 С/сек) нагрівання.

Параметри індукційного нагрівання

Індукційне нагрівання характеризується трьома параметрами: питомою потужністю, тривалістю нагрівання та частотою струму. Питома потужність - це потужність переходить у теплоту на 1 см2 поверхні металу, що нагрівається (кВт/см2). Від величини питомої потужності залежить швидкість нагрівання виробу: що вона більше, то швидше здійснюється нагрівання.

Тривалість нагріву визначає загальну кількість теплової енергії, що передається, а відповідно і досягається температуру. Також важливо враховувати частоту струму, оскільки від неї залежить глибина загартованого шару. Частота струму і глибина шару, що нагрівається знаходяться в протилежній залежності (друга формула). Чим вище частота, тим менше об'єм металу, що нагрівається. Вибираючи величину питомої потужності, тривалість нагріву і частоту струму, можна в широких межах змінювати кінцеві параметри індукційного нагріву - твердість і глибину загартованого шару при загартуванні або об'єм, що нагрівається при нагріванні під штампування.

На практиці контрольованими параметрами нагріву є електричні параметри генератора струму (потужність, сила струму, напруга) і тривалість нагріву. За допомогою пірометрів також може фіксуватись температура нагрівання металу. Але частіше не виникає потреби у постійному контролі температури, тому що підбирається оптимальний режим нагріву, який забезпечує постійну якість гарту або нагріву ТВЧ. Оптимальний режим гарту підбирається зміною електричних параметрів. Таким чином здійснюють загартування кількох деталей. Далі деталі піддаються лабораторному аналізу з фіксуванням твердості, мікроструктури, розподілу загартованого шару по глибині та площині. При недогріві у структурі доевтектоїдних сталей спостерігається залишковий ферит; при перегріві виникає великогольчастий мартенсит. Ознаки шлюбу при нагріванні ТВЧ такі самі, як і за класичних технологій термообробки.

При поверхневому загартуванні ТВЧ нагрівання проводиться до більш високої температури, ніж при звичайному об'ємному загартуванні. Це зумовлено двома причинами. По-перше, при дуже великій швидкості нагрівання температури критичних точок, при яких відбувається перехід перліту в аустеніт, підвищуються, а по-друге, потрібно, щоб це перетворення встигло завершитися за дуже короткий час нагрівання та витримки.

Незважаючи на те, що нагрівання при високочастотному загартуванні проводиться до вищої температури, ніж при звичайній, перегріву металу не відбувається. Так відбувається через те, що зерно у сталі просто не встигає вирости за дуже короткий проміжок часу. При цьому також варто зазначити, що в порівнянні з об'ємним гартуванням, твердість після гарту ТВЧ виходить вище приблизно на 2-3 одиниці HRC. Це забезпечує більш високу зносостійкість та твердість поверхні деталі.

Переваги загартування струмами високої частоти

висока продуктивність процесу
легкість регулювання товщини загартованого шару
мінімальне викривлення
майже повна відсутність окалини
можливість повної автоматизації всього процесу
можливість розміщення гартової установки в потоці механічної обробки.

Найбільш часто поверхневому високочастотному гартуванню піддають деталі, виготовлені з вуглецевої сталі з вмістом 0,4-0,5% С. Ці сталі після загартування мають поверхневу твердість HRC 55-60. При вищому вмісті вуглецю виникає небезпека появи тріщин через різке охолодження. Поряд з вуглецевими застосовуються також низьколеговані хромисті, хромонікелеві, хромокремністі та інші сталі.

Устаткування для виконання індукційного гарту (ТВЧ)

Індукційне загартування вимагає спеціального технологічного обладнання, яке включає три основні вузли: джерело живлення - генератор струмів високої частоти, індуктор та пристрій для переміщення деталей у верстаті.

Генератор струмів високої частоти це електричні машини, що розрізняються за фізичними принципами формування в них електричного струму.

Електронні пристрої, що працюють за принципом електронних ламп, що перетворюють постійний струм на змінний струм підвищеної частоти – лампові генератори.
Електромашинні пристрої, що працюють за принципом наведення електричного струму в провіднику, що переміщуються в магнітному полі, що перетворюють трифазний струм промислової частоти змінний струм підвищеної частоти - машинні генератори.
Напівпровідникові пристрої, що працюють за принципом тиристорних приладів, що перетворюють постійний струм на змінний струм підвищеної частоти – тиристорні перетворювачі (статичні генератори).

Генератори всіх видів розрізняються за частотою і потужністю струму, що генерується.

Види генераторів Потужність, кВт Частота, кГц ККД

Лампові 10 – 160 70 – 400 0,5 – 0,7

Машинні 50 – 2500 2,5 – 10 0,7 – 0,8

Тиристорні 160 - 800 1 - 4 0,90 - 0,95

Поверхневе гартування дрібних деталей (голки, контакти, наконечники пружин) здійснюють за допомогою мікроіндукційних генераторів. Частота, що виробляється ними, досягає 50 МГц, час нагрівання під загартування становить 0,01-0,001 с.

Способи загартування ТВЧ

По виконанню нагрівання розрізняють індукційне безперервно-послідовне загартування і одночасне загартування.

Безперервно-послідовне загартуваннязастосовується для довгомірних деталей постійного перерізу (вали, осі, плоскі поверхні довгомірних виробів). Нагріта деталь переміщається в індукторі. Ділянка деталі, що знаходиться в певний момент в зоні впливу індуктора, нагрівається до гартової температури. На виході з індуктора ділянка потрапляє до зони охолодження спрейєра. Недолік такого способу нагрівання – низька продуктивність процесу. Щоб збільшити товщину заклятого шару, необхідно збільшити тривалість нагріву за допомогою зниження швидкості переміщення деталі в індукторі. Одночасне загартуванняпередбачає одноразове нагрівання всієї поверхні, що зміцнюється.

Ефект самовідпустки після загартування

Після завершення нагрівання поверхня охолоджується душем або потоком води безпосередньо в індукторі або в окремому пристрої, що охолоджує. Таке охолодження дозволяє виконувати загартування будь-якої конфігурації. Дозуючи охолодження та змінюючи його тривалість, можна реалізувати ефект самовідпустки у сталі. Цей ефект полягає у відведенні тепла, накопиченого при нагріванні в серцевині деталі, до поверхні. Іншими словами, коли поверхневий шар охолодився і зазнав мартенситного перетворення, у підповерхневому шарі ще зберігається певна кількість теплової енергії, температура якої може досягати температури низької відпустки. Після припинення охолодження ця енергія за рахунок різниці температур відводитиметься на поверхню. Таким чином, відпадає необхідність у додаткових операціях відпустки сталі.

Конструкція та виготовлення індукторів для гарту ТВЧ

Індуктори виготовляють із мідних трубок, через які в процесі нагрівання пропускається вода. Таким чином запобігається перегріву та перегорання індукторів при роботі. Виготовляються також індуктори, що поєднуються з гартальним пристроєм - спрейером: на внутрішній поверхні таких індукторів є отвори, через які на нагріту деталь надходить рідина, що охолоджує.

Для рівномірного нагрівання необхідно виготовляти індуктор таким чином, щоб відстань від індуктора до всіх точок поверхні виробу була однаковою. Зазвичай це відстань становить 1,5-3 мм. При гарту виробу простої форми ця умова легко виконується. Для рівномірності загартування деталь необхідно переміщати і (або) обертати в індукторі. Це досягається застосуванням спеціальних пристроїв - центрів або загартованих столів.

Розробка конструкції індуктора передбачає передусім визначення його форми. При цьому відштовхуються від форми і габаритів виробу, що гартується, і способу гарту. З іншого боку, під час виготовлення індукторів враховується характер переміщення деталі щодо індуктора. Також враховується економічність та продуктивність нагріву.

Охолодження деталей може застосовується в трьох варіантах: водяним душуванням, водяним потоком, зануренням деталі в загартоване середовище. Душеве охолодження може здійснюватися як в індукторах-спрейєрах, так і в спеціальних загартованих камерах. Охолодження потоком дозволяє створювати надлишковий тиск порядку 1 атм, що сприяє рівномірному охолодженню деталі. Для забезпечення інтенсивного та рівномірного охолодження необхідно, щоб вода переміщалася по поверхні, що охолоджується, зі швидкістю 5-30 м/сек.

Струми високої частоти здатні ідеально справлятися з безліччю процесів термообробки металу. Установка ТВЧ відмінно підійде для загартування. На сьогоднішній день немає обладнання, яке могло б на рівних конкурувати з індукційним нагріванням. Виробники стали все більше уваги приділяти індукційному устаткуванню, купуючи його для обробки виробів та плавки металу.

Чим хороша установка ТВЧ для загартування

Установка ТВЧ – це унікальне обладнання, яке здатне за короткий проміжок часу з високою якістю обробляти метал. Для виконання кожної функції слід підбирати певну установку, наприклад для загартування, краще придбати готовий загартований комплекс ТВЧ, в якому все вже призначене для комфортного твору загартування.
Установка ТВЧ має широкий перелік переваг, але ми станемо розглядати все, а зупинимося тих, які підходять саме до твору ТВЧ загартування.

Налаштування ТВЧ нагрівається за короткий проміжок часу, починаючи швидко обробляти метал. При використанні індукційного нагріву немає потреби витрачати додатковий час на проміжні нагрівання, оскільки обладнання відразу ж починає обробляти метал.
Індукційне нагрівання не потребує додаткових технічних засобів, наприклад, застосування масла для загартування. Виріб виходить якісним, а кількість шлюбу у виробництві суттєво знижується.
Установка ТВЧ повністю безпечна для працівників підприємства, а також проста в експлуатації. Немає потреби наймати висококваліфікований персонал, щоб запустити та запрограмувати обладнання.
Струми високої частоти дають можливість створення більш глибокого гарту, оскільки тепло під впливом електромагнітного поля, здатне проникати на задану глибину.

Установка ТВЧ має величезний перелік переваг, перераховувати які можна довго. Використовуючи нагрівання ТВЧ для загартування, ви істотно знизите витрати електроенергії, а також отримаєте можливість збільшити рівень продуктивності підприємства.

Установка ТВЧ – принцип роботи для загартування

Установка ТВЧ працює з урахуванням принципу індукційного нагрівання. За основу цього принципу було взято закони Джоуля-Ленца та Фарадея-Максвелла про перетворення електричної енергії.
Генератор подає електричну енергію, яка проходить через індуктор, перетворюючись на потужне електромагнітне поле. Вихрові струми поля, що утворилося, починають діяти і, проникаючи в метал, трансформуються в теплову енергію, починаючи обробляти виріб.

Загартування сталей струмами високої частоти (ТВЧ) - це один із поширених методів поверхневої термічної обробки, який дозволяє підвищити твердість поверхні заготовок. Застосовується для деталей з вуглецевих та конструкційних сталей або чавуну. Індукційне загартування ТВЧ є одним із найбільш економічних і технологічних способів зміцнення. Вона дає можливість загартувати всю поверхню деталі або її окремі елементи або зони, які відчувають основне навантаження.

При цьому під загартованою зовнішньою твердою поверхнею заготовки залишаються незагартовані в'язкі шари металу. Така структура зменшує крихкість, підвищує стійкість та надійність всього виробу, а також знижує енерговитрати на нагрівання всієї деталі.

Технологія високочастотного загартування

Поверхневе загартування ТВЧ - це процес термообробки для підвищення характеристик міцності і твердості заготівлі.

Основні етапи поверхневого гарту ТВЧ - індукційне нагрівання до високої температури, витримка при ній, потім швидке охолодження. Нагрівання при загартуванні ТВЧ здійснюють за допомогою спеціальної індукційної установки. Охолодження здійснюють у ванні з охолоджувальною рідиною (водою, маслом або емульсією) або розбризкуванням її на деталь із спеціальних установок, що душують.

Вибір температури

Для правильного проходження процесу загартування дуже важливий правильний підбір температури, яка залежить від матеріалу, що використовується.

Сталі за вмістом вуглецю поділяються на доевтектоїдні - менше 0,8% і заевтектоїдні - більше 0,8%. Сталь з вуглецем менше 0,4% не гартують через низьку твердість. Доевтектоїдні сталі нагрівають трохи вище температури фазового перетворення перліту та фериту на аустеніт. Це відбувається у інтервалі 800-850°С. Потім заготівлю швидко охолоджують. При різкому охолодженні аустеніт перетворюється на мартенсит, який має високу твердість і міцність. Малий час витримки дозволяє отримати дрібнозернистий аустеніт та дрібногольчастий мартенсит, зерна не встигають вирости і залишаються маленькими. Така структура сталі має високу твердість і одночасно низьку крихкість.

Заевтектоїдні сталі нагрівають трохи нижче, ніж доевтектоїдні, до температури 750-800°С, тобто виробляють неповне загартування. Це пов'язано з тим, що при нагріванні до цієї температури крім утворення аустеніту в розплаві металу залишається нерозчинним невелика кількість цементиту, що має твердість вищу, ніж у мартенситу. Після різкого охолодження аустеніт перетворюється на мартенсит, а цементит залишається у вигляді дрібних включень. Також в цій зоні вуглець, що не встиг повністю розчинитися, утворює тверді карбіди.

У перехідній зоні при загартуванні ТВЧ температура близька до перехідної, утворюється аустеніт із залишками фериту. Але, оскільки перехідна зона не остигає так швидко, як поверхня, а остигає повільно, як при нормалізації. При цьому в цій зоні відбувається поліпшення структури, вона стає дрібнозернистою та рівномірною.

Перегрівання поверхні заготівлі сприяє зростанню кристалів аустеніту, що згубно позначається на крихкості. Недогрівання не дає повністю ферито-перитной структурі перейти в аустеніт, і можуть утворитися незагартовані плями.

Після охолодження на поверхні металу залишаються високі стискаючі напруги, які підвищують експлуатаційні властивості деталі. Внутрішню напругу між поверхневим шаром і серединою необхідно усунути. Це робиться за допомогою низькотемпературної відпустки – витримкою при температурі близько 200 ° С у печі. Щоб уникнути появи на поверхні мікротріщин, потрібно звести до мінімуму час між загартуванням та відпусткою.

Також можна проводити так звану самовідпустку - охолоджувати деталь не повністю, а до температури 200 ° С, при цьому в її серцевині залишатиметься тепло. Далі деталь повинна остигати повільно. Так відбудеться вирівнювання внутрішніх напруг.

Індукційна установка

Індукційна установка для термообробки ТВЧ є високочастотним генератором і індуктором для гартування ТВЧ. Загартовувана деталь може розташовуватися в індукторі або біля нього. Індуктор виготовлений у вигляді котушки, на ній навита мідна трубка. Він може мати будь-яку форму залежно від форми та розмірів деталі. При проходженні змінного струму через індуктор у ньому з'являється електромагнітне змінне поле, що проходить через деталь. Це електромагнітне поле викликає виникнення заготівлі вихрових струмів, відомих як струми Фуко. Такі вихрові струми, проходячи в шарах металу, нагрівають до високої температури.

Відмінною рисою індукційного нагріву за допомогою ТВЧ є проходження вихрових струмів на поверхні деталі, що нагрівається. Так нагрівається тільки зовнішній шар металу, причому чим вище частота струму, тим менше глибина прогріву, і, відповідно, глибина гарту ТВЧ. Це дає можливість загартувати тільки поверхню заготовки, залишивши внутрішній шар м'яким і в'язким, щоб уникнути зайвої крихкості. Причому можна регулювати глибину загартованого шару, змінюючи параметри струму.

Підвищена частота струму дозволяє сконцентрувати велику кількість тепла у малій зоні, що підвищує швидкість нагрівання до кількох сотень градусів за секунду. Така висока швидкість нагрівання пересуває фазовий перехід у зону вищої температури. При цьому твердість зростає на 2-4 одиниці, до 58-62 HRC, чого неможливо досягти при об'ємному загартуванні.

Для правильного протікання процесу загартування ТВЧ необхідно стежити, щоб зберігався однаковий просвіт між індуктором і заготівлею на поверхні загартовування, необхідно виключити взаємні дотики. Це забезпечується за можливості обертанням заготовки в центрах, що дозволяє забезпечити рівномірне нагрівання, і, як наслідок, однакову структуру і твердість поверхні загартованої заготовки.

Індуктор для гарту ТВЧ має кілька варіантів виконання:

одно- або багатовитковий кільцевий - для нагрівання зовнішньої або внутрішньої поверхні деталей у формі тіл обертання - валів, коліс або отворів у них;
петльовий - для нагрівання робочої площини виробу, наприклад поверхні станини або робочої кромки інструменту;
фасонний - для нагрівання деталей складної чи неправильної форми, наприклад, зубів зубчастих коліс.

Залежно від форми, розмірів та глибини шару загартовування використовують такі режими загартування ТВЧ:

одночасна - нагрівається відразу вся поверхня заготовки або певна зона, потім одночасно охолоджується;
безперервно-послідовна - нагрівається одна зона деталі, потім при зміщенні індуктора або деталі нагрівається інша зона, тоді як попередня охолоджується.

Одночасне нагрівання ТВЧ усієї поверхні вимагає великих витрат потужності, тому його вигідніше використовувати для гартування дрібних деталей - валки, втулки, пальці, а також елементів деталі - отворів, шийок і т.д. Після нагрівання деталь повністю опускають у бак із охолоджувальною рідиною або поливають струменем води.

Безперервно-послідовне загартування ТВЧ дозволяє гартувати великогабаритні деталі, наприклад, вінці зубчастих коліс, так як при цьому відбувається нагрівання малої зони деталі, для чого потрібна менша потужність генератора ТВЧ.

Охолодження деталі

Охолодження - другий важливий етап процесу загартування, від його швидкості та рівномірності залежить якість та твердість усієї поверхні. Охолодження відбувається в баках з рідиною, що охолоджує, або розбризкуванням. Для якісного загартування необхідно підтримувати стабільну температуру рідини, що охолоджує, не допускати її перегріву. Отвори в спрейєрі повинні бути однакового діаметра і рівномірно розташовані, так досягається однакова структура металу на поверхні.

Щоб індуктор не перегрівався в процесі роботи, мідною трубкою постійно циркулює вода. Деякі індуктори виконуються суміщеними із системою охолодження заготівлі. У трубці індуктора прорізані отвори, якими холодна вода потрапляє на гарячу деталь і остуджує її.

Достоїнства і недоліки

Загартування деталей за допомогою ТВЧ має як переваги, так і недоліки. До переваг можна віднести наступне:

Після гарту ТВЧ у деталі зберігається м'яка середина, що істотно підвищує її опір пластичної деформації.
Економічність процесу загартування деталей ТВЧ пов'язана з тим, що нагрівається лише поверхня або зона, яку необхідно загартувати, а не вся деталь.
При серійному виробництві деталей необхідно налаштувати процес і далі він автоматично повторюватиметься, забезпечуючи необхідну якість гарту.
Можливість точно розрахувати та регулювати глибину загартованого шару.
Безперервно-послідовний метод гарту дозволяє використовувати обладнання малої потужності.
Малий час нагрівання та витримки при високій температурі сприяє відсутності окислення знеуглерожування верхнього шару та утворення окалини на поверхні деталі.
Швидке нагрівання та охолодження не дають великого короблення та повідець, що дозволяє зменшити припуск на чистову обробку.

Але індукційні установки економічно доцільно застосовувати лише за серійному виробництві, а єдиного виробництва купівля чи виготовлення індуктора невигідно. Для деяких деталей складної форми виробництво індукційної установки дуже складно чи неможливо отримати рівномірність загартованого шару. У таких випадках застосовують інші види поверхневих загартування, наприклад, газополум'яне або об'ємне загартування.

За домовленістю можлива термічна обробка та загартування металевих та сталевих деталей з більшими ніж у даній таблиці габаритами.

Термічна обробка (термообробка сталі) металів та сплавів у Москві – це послуга, яку надає своїм замовникам наш завод. Ми маємо все необхідне обладнання, за яким працюють кваліфіковані фахівці. Всі замовлення ми виконуємо якісно та у встановлені терміни. Так само ми приймаємо та виконуємо замовлення на термообробку сталей та ТВЧ, що надходять до нас та з інших регіонів Росії.

Основні види термічної обробки сталі

Відпал I роду:

Відпал I роду дифузійний (гомогенізація) - Швидке нагрівання до t 1423 К, тривала витримка та подальше повільне охолодження. Вирівнювання хімічної неоднорідності матеріалу у великих фасонних виливках з легованої сталі

Відпал I роду рекристалізаційний - Нагрів до температури 873-973 К, тривала витримка та подальше повільне охолодження. Відбувається Зменшення твердості та збільшення пластичності після холодного деформування (обробка є міжопераційною)

Відпал I роду зменшує напруги - Нагрів до температури 473-673 К і подальше повільне охолодження. Відбувається зняття залишкової напруги після лиття, зварювання, пластичної деформації або механічної обробки.

Відпал II роду:

Відпал II роду повний - Нагрів до температури вище точки Ас3 на 20-30 К, витримка та подальше охолодження. Відбувається Зниження твердості, поліпшення оброблюваності, зняття внутрішніх напруг у доевтектоїдній та евтектоїдній сталях перед загартуванням (див. примітку до таблиці)

Відпал II роду неповний - Нагрів до температури між точками Ac1 і Ас3, витримка та подальше охолодження. Відбувається Зниження твердості, поліпшення оброблюваності, зняття внутрішніх напруг у заевтектоїдній сталі перед загартуванням

Відпал II роду ізотермічний - Нагрів до температури на 30-50 К вище точки Ас3 (для доевтектоїдної сталі) або вище точки Ас1 (для заевтектоїдної сталі), витримка та подальше ступінчасте охолодження. Відбувається Прискорена обробка невеликих прокатних виробів або поковок з легованої та високовуглецевої сталей з метою зниження твердості, поліпшення оброблюваності, зняття внутрішніх напруг

Відпал II роду сфероїдизуючий - Нагрів до температури вище точки Ас1 на 10-25 К, витримка і наступне ступінчасте охолодження. Відбувається Зменшення твердості, поліпшення оброблюваності, зняття внутрішніх напруг в інструментальній сталі перед гартуванням, підвищення пластичності низьколегованої та середньовуглецевої сталей перед холодним деформуванням

Відпал II роду світлий - Нагрів у контрольованому середовищі до температури вище точки Ас3 на 20-30 К, витримка та подальше охолодження в контрольованому середовищі. Відбувається Захист поверхні сталі від окислення та обезуглерожування

Відпал II роду Нормалізація (нормалізаційний відпал) - Нагрів до температури вище точки Ас3 на 30-50 К, витримка та подальше охолодження на спокійному повітрі. Відбувається Виправлення структури герегретої сталі, зняття внутрішніх напруг в деталях з конструкційної сталі та покращення їх оброблюваності, збільшення глибини прожарювання інструментів. стали перед загартуванням

Загартування:

Загартування безперервне повне - Нагрівання до температури вище точки Ас3 на 30-50 К, витримка і подальше різке охолодження. Відбувається Отримання (у поєднанні з відпусткою) високої твердості та зносостійкості деталей з доевтектоїдної та евтектоїдної сталей

Загартування неповне - Нагрів до температури між точками Ас1 і Ас3, витримка та подальше різке охолодження. Відбувається Отримання (у поєднанні з відпусткою) високої твердості та зносостійкості деталей із заевтектоїдної сталі

Загартування переривчасте - Нагрів до t вище точки Ас3 на 30-50 К (для доевтектоїдної та евтектоїдної сталей) або між точками Ас1 і Ас3 (для заевтектоїдної сталі), витримка і подальше охолодження у воді, а потім в маслі. Відбувається Зменшення залишкових напруг та деформацій у деталях із високовуглецевої інструментальної сталі

Загартування ізотермічна - Нагрівання до температури вище точки Ас3 на 30-50 К, витримка та подальше охолодження в розплавлених солях, а потім на повітрі. Відбувається отримання мінімальної деформації (короблення), підвищення пластичності, межі витривалості та опору вигину деталей з легованої інструментальної сталі

Загартування східчасте - Те ж саме (відрізняється від ізотермічного гарту меншим часом перебування деталі в охолодному середовищі). Відбувається Зменшення напруг, деформацій та попередження утворення тріщин у дрібному інструменті з вуглецевої інструментальної сталі, а також у більшому інструменті з легованої інструментальної та швидкорізальної сталі

Загартування поверхневе - Нагрівання електричним струмом або газовим полум'ям поверхневого шару виробу до гартової t з подальшим швидким охолодженням прогрітого шару. Відбувається підвищення поверхневої твердості на певну глибину, зносостійкість і підвищена витривалість деталей машин та інструментів.

Загартування з самовідпусткою - Нагрівання до температури вище точки Ас3 на 30-50 К, витримка та подальше неповне охолодження. Тепло, що збереглося всередині деталі, забезпечує відпуск загартованого зовнішнього шару Місцеве зміцнення ударного інструменту нескладної конфігурації з вуглецевої інструментальної сталі, а також при індукційному нагріванні

Гартування з обробкою холодом - Глибоке охолодження після загартування до температури 253-193 К. Відбувається підвищення твердості та отримання стабільних розмірів деталей з високолегованої сталі

Загартування з підстуджуванням - Нагріті деталі перед зануренням в охолоджувальне середовище деякий час охолоджуються на повітрі або витримуються в термостаті зі зниженою t. Відбувається скорочення циклу термічної обробки сталі (застосовується зазвичай після цементації).

Загартування світле - Нагрів у контрольованому середовищі до температури вище точки Ас3 на 20-30 К, витримка та подальше охолодження в контрольованому середовищі. Відбувається Захист від окислення та обезуглерожування складних деталей прес-форм, штампів та пристроїв, що не піддаються шліфуванню.

Відпустка низька - Нагрів в інтервалі температури 423-523 К та подальше прискорене охолодження. Відбувається Зняття внутрішньої напруги та зменшення крихкості різального та вимірювального інструменту після поверхневого гарту; для цементованих деталей після загартування

Відпустка середня - Нагрів в інтервалі t = 623-773 К та подальше повільне або прискорене охолодження. Відбувається підвищення межі пружності пружин, ресор та інших пружних елементів

Відпустка висока - Нагрів в інтервалі температур 773-953 К і подальше повільне або швидке охолодження. Відбувається забезпечення високої пластичності деталей з конструкційної сталі, як правило, при термічному поліпшенні

Термічне поліпшення - Загартування та подальша висока відпустка. Відбувається повне зняття залишкової напруги. Забезпечення поєднання високої міцності та пластичності при остаточній термічній обробці деталей із конструкційної сталі, що працюють при ударних та вібраційних навантаженнях.

Термомеханічна обробка - Нагрів, швидке охолодження до 673-773 К, багаторазове пластичне деформування, загартування та відпустка. Відбувається Забезпечення для прокату та деталей простої форми, що не піддаються зварюванню, підвищеної міцності порівняно з міцністю, отриманою при звичайній термічній обробці

Старіння - Нагрівання та тривала витримка при підвищеній температурі. Стабілізація розмірів деталей та інструментів

Цементація – насичення поверхневого шару м'якої сталі вуглецем (навуглецювання). Супроводжується наступним гартуванням з низькою відпусткою. Глибина шару цементованого становить 0,5-2 мм. Відбувається надання виробу високої поверхневої твердості із збереженням в'язкої серцевини. Цементації піддаються вуглецеві або леговані сталі з вмістом вуглецю: для дрібних та середніх виробів 0,08-0,15%, для більших 0,15-0,5%. Цементації піддаються зубчасті колеса, поршневі пальці та ін.

Ціанування - Термохімічна обробка сталевих виробів у розчині ціаністих солей при температурі 820. Відбувається Насичення поверхневого шару сталі вуглецем і азотом (шар 0,15-0,3 мм.) Ціанування піддаються маловуглецеві сталі, внаслідок чого поряд з твердою поверхнею виробу Такі вироби відрізняються високим опором зношування та стійкістю проти ударних навантажень.

Азотування (нітрування) – насичення азотом поверхневого шару сталевих виробів на глибину 0,2-0,3 мм. Відбувається надання високої поверхневої твердості, підвищеного опору стирання та корозії. Азотування піддаються калібри, шестерні, шийки валів та ін.

Обробка холодом - Охолодження після гарту до температури нижче нуля. Відбувається Зміна внутрішньої структури сталей, що гартуються. Застосовується для інструментальних сталей, цементованих виробів, деяких високолегованих сталей.

МЕТАЛІВ ТЕРМІЧНА ОБРОБКА (ТЕРМООБРОБКА), певний тимчасовий цикл нагрівання та охолодження, якому піддають метали для зміни їх фізичних властивостей. Термообробка у звичайному сенсі цього терміну проводиться при температурах, що не досягають точки плавлення. Процеси плавлення і лиття, які мають істотний вплив на властивості металу, до цього поняття не включаються. Зміни фізичних властивостей, що викликаються термічною обробкою, обумовлені змінами внутрішньої структури та хімічних співвідношень, що відбуваються у твердому матеріалі. Цикли термічної обробки являють собою різні комбінації нагріву, витримування при певній температурі та швидкого або повільного охолодження, що відповідають тим структурним та хімічним змінам, які потрібно викликати.

Зерниста структура металів. Будь-який метал зазвичай складається з безлічі кристалів, що стикаються один з одним (званих зернами), як правило, мають мікроскопічні розміри, але іноді і видимих простим оком. Всередині кожного зерна атоми розташовані так, що утворюють правильну тривимірну геометричну решітку. Тип грат, званий кристалічної структурою, є характеристикою матеріалу і може бути визначений методами рентгеноструктурного аналізу. Правильне розташування атомів зберігається в межах всього зерна, якщо не брати до уваги невеликих порушень, таких, як окремі вузли решітки, що випадково виявилися вакантними. Усі зерна мають однакову кристалічну структуру, але, зазвичай, по-різному орієнтовані у просторі. Тому на межі двох зерен атоми завжди менш упорядковані, ніж усередині них. Цим пояснюється зокрема те, що межі зерен легше піддаються травленню хімічними реагентами. На полірованій плоскій поверхні металу, обробленої відповідним травником, зазвичай виявляється чітка картина меж зерен. Фізичні властивості матеріалу визначаються властивостями окремих зерен, їх впливом один на одного та властивостями меж зерен. Властивості металевого матеріалу істотно залежать від розмірів, форми та орієнтації зерен, і мета термічної обробки полягає в тому, щоб керувати цими факторами.

Атомні процеси під час термічної обробки. При підвищенні температури твердого кристалічного матеріалу його атомам стає дедалі легше переходити з одного вузла кристалічної решітки до іншої. Саме на цій дифузії атомів і ґрунтується термічна обробка. Найбільш ефективний механізм руху атомів у кристалічній решітці можна уявити як рух вакантних вузлів решітки, які завжди є у будь-якому кристалі. При підвищених температурах завдяки збільшенню швидкості дифузії прискорюється процес переходу нерівноважної структури речовини до рівноважної. Температура, за якої помітно підвищується швидкість дифузії, неоднакова для різних металів. Вона зазвичай вища для металів із високою температурою плавлення. У вольфрамі з його температурою плавлення, що дорівнює 3387 C, рекристалізація не відбувається навіть при червоному розжаренні, тоді як термічну обробку алюмінієвих сплавів, що плавляться при низьких температурах, в деяких випадках виявляється можливим проводити при кімнатній температурі.

У багатьох випадках термічною обробкою передбачається дуже швидке охолодження, зване загартуванням, мета якого зберегти структуру, що утворилася за підвищеної температури. Хоча, строго кажучи, таку структуру не можна вважати термодинамічно стійкою за кімнатної температури, практично вона цілком стійка завдяки низькій швидкості дифузії. Дуже багато корисних сплавів мають подібну "метастабільну" структуру.

Зміни, викликані термічною обробкою, може бути двох основних видів. По-перше, і в чистих металах, і в сплавах можливі зміни, що стосуються лише фізичної структури. Це можуть бути зміни напруженого стану матеріалу, зміни розмірів, форми, кристалічної структури та орієнтації його кристалічних зерен. По-друге, може змінюватися і хімічна структура металу. Це може виражатися у згладжуванні неоднорідностей складу та утворенні виділень іншої фази, у взаємодії з навколишньою атмосферою, створеною для очищення металу або надання йому заданих поверхневих властивостей. Зміни й іншого виду можуть відбуватися одночасно.

Зняття напруги. Деформація в холодному стані підвищує твердість та крихкість більшості металів. Іноді таке "деформаційне зміцнення" бажане. Кольоровим металам та його сплавам зазвичай надають той чи інший ступінь твердості холодною прокаткою. Маловуглецеві сталі теж часто зміцнюють холодним деформуванням. Високовуглецеві сталі, доведені холодною прокаткою або холодним волочінням до підвищеної міцності, необхідної, наприклад, для виготовлення пружин, зазвичай піддають відпалу для зняття напруги нагрівають до порівняно низької температури, при якій матеріал залишається майже таким же твердим, як і раніше, але в ньому зникають неоднорідності розподілу внутрішніх напруг. Завдяки цьому слабшає тенденція до розтріскування, особливо у корозійних середовищах. Таке зняття напруг відбувається, зазвичай, з допомогою локального пластичного течії у матеріалі, який призводить до змін загальної структури.

Рекристалізація. За різних методів обробки металів тиском нерідко потрібно сильно змінювати форму заготівлі. Якщо формоутворення має проводитися в холодному стані (що часто диктується практичними міркуваннями), то доводиться розбивати процес на ряд щаблів, у проміжках між ними проводячи рекристалізацію. Після першого ступеня деформації, коли матеріал зміцнений настільки, що подальше деформування може призвести до руйнування, нагрівають нагрівання до температури, перевищує температуру відпалу для зняття напруг, і витримують для рекристалізації. Завдяки швидкій дифузії за такої температури за рахунок атомної перебудови виникає зовсім нова структура. Всередині зерен структури деформованого матеріалу починають рости нові зерна, які з часом повністю її замінюють. Спочатку утворюються дрібні нові зерна у місцях найбільшого порушення старої структури, саме на старих межах зерен. При подальшому відпалі атоми деформованої структури перебудовуються так, що також стають частиною нових зерен, які ростуть і зрештою поглинають усю стару структуру. Заготівля зберігає колишню форму, але вона тепер з м'якого, ненапруженого матеріалу, який може бути підданий новому циклу деформування. Такий процес можна повторювати кілька разів, якщо цього вимагає заданий рівень деформування.

Холодна обробка - це деформування при температурі, надто низькій для рекристалізації. Більшість металів даному визначенню відповідає кімнатна температура. Якщо деформування проводиться при досить високій температурі, так що рекристалізація встигає слідувати за деформуванням матеріалу, така обробка називається гарячою. Поки температура залишається досить високою, його можна як завгодно сильно деформувати. Гарячий стан металу визначається, насамперед, тим, наскільки його температура близька до точки плавлення. Висока ковкість свинцю означає, що він легко рекристалізується, тобто його гарячу обробку можна проводити при кімнатній температурі.

Контроль текстури. Фізичні властивості зерна, взагалі кажучи, неоднакові у різних напрямах, оскільки кожне зерно це монокристал зі своєю кристалічною структурою. Властивості металевого зразка є результатом усереднення по всіх зернах. У разі безладної орієнтації зерен загальні фізичні властивості однакові в усіх напрямках. Якщо деякі кристалічні площини чи атомні ряди більшості зерен паралельні, то властивості зразка стають " анізотропними " , т. е. залежними від напрямку. У цьому випадку у філіжанки, отриманої глибоким видавлюванням з круглої пластинки, будуть "язички", або "фестони", на верхній кромці, що пояснюються тим, що в одних напрямках матеріал деформується легше, ніж в інших. При механічному формоутворенні анізотропія фізичних властивостей зазвичай небажана. Але в листах магнітних матеріалів для трансформаторів та інших пристроїв дуже бажано, щоб напрямок легкого намагнічення, яке в монокристалах визначається кристалічною структурою, у всіх зернах збігалося із заданим напрямком магнітного потоку. Таким чином, "переважна орієнтація" (текстура) може бути бажаною або небажаною залежно від призначення матеріалу. Взагалі, при рекристалізації матеріалу його краща орієнтація змінюється. Характер цієї орієнтації залежить від складу та чистоти матеріалу, від виду та ступеня холодної деформації, а також від тривалості та температури відпалу.

Контролює розмір зерен. Фізичні властивості металевого зразка значною мірою визначаються середнім розміром зерен. Найкращим механічним властивостям майже завжди відповідає дрібнозерниста структура. Зменшення розміру зерна часто є однією з цілей термічної обробки (а також плавлення та лиття). При підвищенні температури прискорюється дифузія, тому середній розмір зерна збільшується. Межі зерен зміщуються так, що більші зерна ростуть за рахунок дрібних, які зникають. Тому завершальні процеси гарячої обробки зазвичай проводять при можливо нижчій температурі, щоб були мінімальні розміри зерен. Часто спеціально передбачають низькотемпературну гарячу обробку, в основному для зменшення розмірів зерен, хоча того ж результату можна досягти холодною обробкою з подальшою рекристалізацією.

Гомогенізація. Процеси, про які йшлося вище, протікають і в чистих металах, і в металах. Але існує низка інших процесів, які можливі лише в металевих матеріалах, що містять два або більше компонентів. Так, наприклад, у виливку сплаву майже напевно будуть неоднорідності хімічного складу, що визначається нерівномірним процесом затвердіння. У сплаві, що твердне, склад твердої фази, що утворюється в кожен даний момент, не такий, як у рідкій, що знаходиться з нею в рівновазі. Отже, склад твердої речовини, що виник у початковий момент затвердіння, буде іншим, ніж наприкінці затвердіння, а це веде до просторової неоднорідності складу в мікроскопічному масштабі. Така неоднорідність усувається простим нагріванням, особливо у поєднанні з механічним деформуванням.

Очищення. Хоча чистота металу визначається насамперед умовами плавлення та лиття, очищення металу часто досягається термічною обробкою у твердому стані. Домішки, що містяться в металі, реагують на поверхні з атмосферою, в якій він нагрівається; так, атмосфера водню або іншого відновника може перетворити значну частину оксидів на чистий метал. Глибина такої очистки залежить від здатності домішок дифундувати з об'єму на поверхню, а тому визначається тривалістю та температурою термічної обробки.

Виділення вторинних фаз. p align="justify"> В основі більшості режимів термічної обробки сплавів лежить один важливий ефект. Він пов'язаний з тим, що розчинність у твердому стані компонентів металу залежить від температури. На відміну від чистого металу, в якому всі атоми однакові, у двокомпонентному, наприклад, твердому розчині є атоми двох різних сортів, випадково розподілені по вузлах кристалічної решітки. Якщо збільшувати кількість атомів другого сорту, можна досягти стану, що вони зможуть просто заміщати атоми першого сорту. Якщо кількість другого компонента перевищує цю межу розчинності у твердому стані, у рівноважній структурі сплаву з'являються включення другої фази, що відрізняються за складом та структурою від вихідних зерен і зазвичай розкидані між ними у вигляді окремих частинок. Такі частки другої фази можуть сильно впливати на фізичні властивості матеріалу, що залежить від їх розміру, форми і розподілу. Ці фактори можна змінювати термічною обробкою (термообробкою).

Термічна обробка - процес обробки виробів з металів та сплавів шляхом теплового впливу з метою зміни їх структури та властивостей у заданому напрямку. Цей вплив може поєднуватися також з хімічним, деформаційним, магнітним та ін.

Історична довідка про термічну обробку.
Людина використовує термічну обробку металів з найдавніших часів. Ще в епоху енеоліту, застосовуючи холодне кування самородних золота та міді, первісна людина зіткнулася з явищем наклепу, що ускладнювало виготовлення виробів з тонкими лезами та гострими наконечниками, і для відновлення пластичності коваль мав нагрівати холодноковану мідь у вогнищі. Найбільш ранні свідоцтва про застосування пом'якшуючого відпалу наклепаного металу відносяться до кінця 5-го тисячоліття до н. е. Такий відпал у час появи був першою операцією Термічної обробки металів. При виготовленні зброї та знарядь праці із заліза, отриманого з використанням сиродутного процесу, коваль нагрівав залізну заготівлю для гарячого кування у деревнокутному горні. При цьому залізо навуглерожувалося, тобто відбувалася цементація один з різновидів хіміко-термічної обробки. Охолоджуючи кований виріб із навуглероженого заліза у воді, коваль виявив різке підвищення його твердості та покращення ін. властивостей. Загартування у воді навуглероженого заліза застосовувалося з кінця 2 початку 1-го тисячоліття до н. е. В "Одіссеї" Гомера (8 7 ст. до н. е.) є такі рядки: "Як занурює коваль розпечену сокиру чи сокиру у воду холодну, і зашипить із клекотанням залізо міцніше залізо буває, у вогні та воді загартовуючись". У 5 ст. до зв. е. етруски гартували у воді дзеркала з високоолов'яної бронзи (скоріше за все для покращення блиску при поліруванні). Цементацію заліза в деревному куті або органічній речовині, загартування та відпустку стали широко застосовували в середні віки у виробництві ножів, мечів, напилків та ін інструментів. Не знаючи сутності внутрішніх перетворень у металі, середньовічні майстри часто приписували одержання високих властивостей при термічній обробці металів прояву надприродних сил. До середини 19 в. знання людини про Термічну обробку металів являли собою сукупність рецептів, вироблених на основі багатовікового досвіду. Потреби розвитку техніки, й у першу чергу розвитку сталепушкового виробництва, зумовили перетворення термообробки металів із мистецтва на науку. У середині 19 ст, коли армія прагнула замінити бронзові і чавунні гармати потужнішими сталевими, надзвичайно гострою була проблема виготовлення гарматних стволів високої та гарантованої міцності. Незважаючи на те, що металурги знали рецепти виплавки та лиття сталі, гарматні стовбури дуже часто розривалися без видимих причин. Д. К. Чернов на Обухівському сталеливарному заводі в Петербурзі, вивчаючи під мікроскопом протруєні шліфи, приготовані з дул гармат, і спостерігаючи під лупою будову зламів у місці розриву, зробив висновок, що сталь тим міцніша, чим дрібніша її структура. У 1868 Чернів відкрив внутрішні структурні перетворення в охолоджувальній сталі, що відбуваються при певних температурах. які він назвав критичними точками а та b. Якщо сталь нагрівати до температур нижче точки а, її неможливо загартувати, а для отримання дрібнозернистої структури сталь слід нагрівати до температур вище точки b. Відкриття Чорновим критичних точок структурних перетворень на сталі дозволило науково обгрунтовано вибирати режим Термічної обробки щоб одержати необхідні властивості сталевих виробів.

У 1906 А. Вільм (Німеччина) на винайденому ним дуралюмін відкрив старіння після загартування (див. Старіння металів) найважливіший спосіб зміцнення сплавів на різній основі (алюмінієвих, мідних, нікелевих, залізних та ін). У 30-ті роки. 20 ст. з'явилася термомеханічна обробка мідних сплавів, що старіють, а в 50-і термомеханічна обробка сталей, що дозволила значно підвищити міцність виробів. До комбінованих видів Термічної обробки відноситься термомагнітна обробка, що дозволяє в результаті охолодження виробів магнітному полі поліпшувати їх деякі магнітні властивості.

Підсумком численних досліджень змін структури та властивостей металів та сплавів при тепловому впливі стала струнка теорія Термічної обробки металів.

Класифікація видів Термічної обробки полягає в тому, якого типу структурні зміни у металі відбуваються при тепловому впливі. Термічна обробка металів підрозділяється на власне термічну, що полягає тільки в тепловому впливі на метал, хіміко-термічну, що поєднує тепловий і хімічний вплив, і термомеханічну, що поєднує теплову дію та пластичну деформацію. Власне термічна обробка включає такі види: відпал 1-го роду, відпал 2-го роду, загартування без поліморфного перетворення та з поліморфним перетворенням, старіння та відпустка.

Азотування - насичення поверхні металевих деталей азотом з метою підвищення твердості, зносостійкості, межі втоми та корозійної стійкості. Азотування піддають сталь, титан, деякі сплави, найбільш часто леговані сталі, особливо хромоалюмінієві, а також сталь, що містить ванадій і молібден.
Азотування сталі відбувається при t 500 650 С середовищі аміаку. Вище 400 С починається дисоціація аміаку по реакції NH3 ' 3H + N. Атомарний азот, що утворився, дифундує в метал, утворюючи азотисті фази. При температурі азотування нижче 591 С азотований шар складається з трьох фаз (рис.): µ нітриду Fe2N, ³" нітриду Fe4N, ± азотистого фериту, що містить близько 0,01% азоту при кімнатній температурі. При температурі азотування 600 650 С і ³-фази, яка в результаті повільного охолодження розпадається при 591 C на евтектоїд ± + ³ 1. Твердість азотованого шару збільшується до HV = 1200 (відповідає 12 Гн/м2) і зберігається при повторних нагріваннях до 500 600 C, що забезпечує високу деталь при підвищених температурах Азотовані сталі значно перевершують за зносостійкістю цементовані і загартовані сталі Азотування тривалий процес, для отримання шару товщиною 0,2 0,4 мм потрібно 20 50 ч. Підвищення температури прискорює процес, але знижує твердість шару. що підлягають азотуванню, застосовуються лудіння (для конструкційних сталей) і нікелювання (для нержавіючих та жароміцних сталей). упкости шару азотування жароміцних сталей іноді ведуть у суміші аміаку та азоту.
Азотування титанових сплавів проводиться при 850-950 С в азоті високої чистоти (азотування в аміаку не застосовується через збільшення крихкості металу).

При азотуванні утворюється верхній тонкий нітридний шар та твердий розчин азоту в ±-титані. Глибина шару за 30 год 0,08 мм із поверхневою твердістю HV = 800 850 (відповідає 8 8,5 Гн/м2). Введення в сплав деяких легуючих елементів (Al до 3%, Zr 3 5% та ін) підвищує швидкість дифузії азоту, збільшуючи глибину азотованого шару, а хром зменшує швидкість дифузії. Азотування титанових сплавів у розрідженому азоті дозволяє отримувати глибший шар без тендітної нітридної зони.
Азотування широко застосовують у промисловості, у тому числі для деталей, що працюють при t до 500 600 С (гільз циліндрів, колінчастих валів, шестерень, золотникових пар, деталей паливної апаратури та ін).
Мінкевич А. Н., Хіміко-термічна обробка металів і сплавів, 2 видавництва, М., 1965: Гуляєв А. П..Металознавство, 4 видавництва, М., 1966.