Загартування сталі. Покращення властивостей металу

Загартування сталі – це один з найважливіших термічних процесів, що дозволяє значно покращити механічні властивості металу, роблячи його придатним для найрізноманітніших застосувань. Від звичайних побутових інструментів до високоточних деталей авіаційних двигунів – у багатьох виробах ми зустрічаємо загартовану сталь, часто навіть не усвідомлюючи, наскільки цей процес є критичним для їхньої функціональності та довговічності.

Що таке загартування сталі?

Загартування – це термічна обробка металу, яка полягає в нагріванні сталі до певної температури (вище критичної точки), витримці при цій температурі, а потім швидкому охолодженні (зазвичай у воді, маслі, соляних розчинах або повітрі). Метою цього процесу є отримання мартенситної або бейнітної структури, що значно підвищує твердість, міцність і зносостійкість сталі.

Наукова основа процесу

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, і саме вуглець відіграє ключову роль у процесі загартування. При нагріванні до високих температур (зазвичай вище 727°C, так званої точки А1 для доевтектоїдних сталей, або точки А3 для заевтектоїдних сталей) відбувається фазовий перехід – перліт або ферит з цементитом перетворюються на аустеніт. Аустеніт – це твердий розчин вуглецю в γ-залізі з гранецентрованою кубічною ґраткою.

Після нагрівання до аустенітного стану відбувається швидке охолодження. Якщо швидкість охолодження є достатньо високою, вуглець не встигає дифундувати з кристалічної ґратки, і відбувається бездифузійне перетворення аустеніту в мартенсит. Мартенсит – це пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі (фериті) з тетрагонально-об’ємноцентрованою ґраткою. Ця структура є дуже твердою і крихкою.

Якщо швидкість охолодження дещо нижча, ніж для повного мартенситного перетворення, може утворитися бейніт – структура, яка є проміжною між перлітом і мартенситом за твердістю та в’язкістю.

Навіщо потрібне загартування сталі? Основні цілі

Загартування сталі виконується з кількома ключовими цілями, які тісно пов’язані з покращенням її експлуатаційних характеристик https://karbaz.com.ua/uk/nashi-poslugi/:

Збільшення твердості: Це, мабуть, найочевидніша і найважливіша мета загартування. Твердість – це здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла. Загартована сталь стає значно твердішою, що є критично важливим для ріжучих інструментів (ножі, свердла, фрези), зносостійких деталей (шестерні, вали), підшипників та інших елементів, які працюють в умовах інтенсивного тертя або абразивного зносу.

Підвищення міцності: Міцність – це здатність матеріалу витримувати зовнішні навантаження без руйнування. Загартування значно підвищує межу міцності та текучості сталі. Це дозволяє створювати легші та міцніші конструкції, що є важливим у машинобудуванні, авіації, автомобілебудуванні.

Збільшення зносостійкості: Завдяки високій твердості, загартована сталь має набагато вищу зносостійкість, тобто здатність протистояти руйнуванню поверхневих шарів при терті. Це особливо важливо для деталей, які піддаються постійному тертю, таких як підшипники, зубчасті колеса, елементи насосів та компресорів.

Покращення ріжучих властивостей: Для будь-яких ріжучих інструментів (ножиці, пилки, різці, свердла) твердість леза є ключовою. Загартування забезпечує високу твердість ріжучої кромки, що дозволяє інструменту зберігати гостроту та ефективно виконувати свої функції протягом тривалого часу.

Формування необхідних механічних властивостей: Шляхом загартування та подальшого відпуску можна досягти оптимального поєднання твердості, міцності та в’язкості для конкретного застосування. Наприклад, для ударних інструментів (молотки, зубила) потрібна висока в’язкість, а для ріжучих – висока твердість.

Переваги загартування сталі

Загартування сталі надає низку значних переваг, які роблять цей процес незамінним у сучасній промисловості:

1. Довговічність виробів: Найбільш очевидною перевагою є значне збільшення терміну служби деталей. Завдяки підвищеній твердості та зносостійкості, загартовані деталі менше піддаються руйнуванню від зносу, ударних навантажень та інших експлуатаційних факторів. Це призводить до зменшення потреби в заміні деталей, зниження витрат на обслуговування та ремонт.
2. Ефективність інструментів: Ріжучі та формуючі інструменти, виготовлені із загартованої сталі, мають значно кращі експлуатаційні показники. Вони довше зберігають гостроту, витримують вищі навантаження і забезпечують більш точну обробку матеріалів. Це підвищує продуктивність праці та якість кінцевої продукції.
3. Можливість використання менших розмірів деталей: Завдяки високій міцності загартованої сталі, можна зменшувати перерізи деталей без втрати несучої здатності. Це дозволяє створювати легші та компактніші конструкції, що є критично важливим для аерокосмічної та автомобільної промисловості, де вага відіграє велику роль.
4. Стійкість до агресивних середовищ: Хоча загартування безпосередньо не впливає на корозійну стійкість, воно може покращити її опосередковано. Твердіші поверхні менше схильні до механічних пошкоджень, які можуть стати джерелом корозії.
5. Економічна вигода: Незважаючи на додаткові витрати на термічну обробку, загартування часто виявляється економічно вигідним. Збільшений термін служби деталей, зниження витрат на заміну та ремонт, а також підвищення продуктивності інструментів компенсують початкові витрати.
6. Розширення сфери застосування сталі: Загартування дозволяє використовувати сталь у таких умовах, де без цієї обробки вона була б неефективною або не могла б взагалі застосовуватися. Це відкриває нові можливості для інженерів та конструкторів.

Фактори, що впливають на результат загартування

Кінцеві властивості загартованої сталі залежать від багатьох факторів:

Хімічний склад сталі: Вміст вуглецю є ключовим. Чим більше вуглецю (до певного рівня), тим вища твердість загартованої сталі. Легуючі елементи (хром, нікель, молібден, ванадій) також сильно впливають на прогартовуваність, тобто здатність сталі загартовуватися на глибину.

Температура нагріву: Недостатній нагрів не дозволить утворитися повному аустеніту, надмірний – може призвести до росту зерна, що зробить сталь крихкою.

Час витримки при нагріві: Необхідний для повного перетворення в аустеніт і розчинення карбідів.

Швидкість охолодження: Критично важлива для утворення мартенситу. Для кожної сталі існує своя “критична швидкість загартування”.

Загартовуюче середовище: Вибір охолоджуючого середовища (вода, масло, повітря, полімерні розчини) визначає швидкість охолодження. Вода забезпечує найвищу швидкість, масло – середню, повітря – найнижчу.

Розмір і форма деталі: Великі деталі охолоджуються повільніше, що ускладнює їх загартування на глибину. Складні форми можуть призвести до виникнення значних внутрішніх напружень та деформацій.

Відпуск – невід’ємна частина процесу загартування

Важливо розуміти, що загартування рідко застосовується як самостійний процес. Загартована сталь, хоча й надзвичайно тверда, є також дуже крихкою через значні внутрішні напруження та особливості мартенситної структури. Тому після загартування майже завжди виконується відпуск.

Відпуск – це нагрівання загартованої сталі до певної температури (нижче критичних точок), витримка при ній і подальше охолодження. Метою відпуску є:

• Зняття внутрішніх напружень: Це запобігає розтріскуванню та деформації деталей.
• Підвищення в’язкості: Зменшення крихкості загартованої сталі, надання їй необхідної пластичності.
• Зміна структури: Перетворення мартенситу на відпущений мартенсит або інші більш стабільні структури.

Залежно від температури нагріву розрізняють три основні види відпуску:

• Низький відпуск (150-250°C): Застосовується для ріжучих інструментів. Значно зменшує внутрішні напруження, зберігаючи високу твердість.
• Середній відпуск (300-500°C): Використовується для пружин, ресор, деталей, що працюють на кручення та згинання. Забезпечує оптимальне поєднання міцності, пружності та в’язкості.
• Високий відпуск (500-650°C): Застосовується для конструкційних деталей, що працюють в умовах ударних навантажень. Значно підвищує в’язкість і пластичність, але при цьому дещо знижує твердість.

Саме комбінація загартування та відпуску дозволяє отримати сталь з оптимальним набором механічних властивостей для конкретного застосування.

Загартування сталі – це фундаментальний процес у металообробці, що дозволяє значно покращити її механічні властивості. Підвищення твердості, міцності, зносостійкості та ріжучих властивостей робить загартовану сталь незамінним матеріалом для широкого спектру застосувань – від простих інструментів до складних високотехнологічних компонентів. Хоча процес і вимагає глибоких знань та точного виконання, переваги, які він надає, з лишком компенсують витрати та зусилля, забезпечуючи довговічність, ефективність та надійність виробів, що нас оточують. Розуміння принципів загартування є ключовим для будь-якого фахівця, який працює з металами, і продовжує залишатися однією з найважливіших технологій у сучасному промисловому виробництві.