Що таке поверхневе загартування стали? Для чого застосовується поверхневе загартування?

Мистецтво термічної обробки металів відомо людству давно. Їм майстри, які займалися виготовленням інструментів, а в особливості зброї, опановували самостійно, або навчалися довгі роки у інших фахівців, більш досвідчених. Секрети зберігалися в таємниці, що, звичайно, знижувало швидкість розповсюджень технологій, але підвищувало конкурентоспроможність конкретного виробника продукції специфічного призначення. Одним із прийомів середньовічних зброярів була поверхнева гарт, що надає ріжучих крайок і вістрям мечів і шабель особливу твердість у поєднанні з гнучкістю клинка. Сьогодні такими властивостями вже нікого не здивувати, технології стали масовими і отримали загальне поширення.

Для чого все це знати звичайній людині?

Ця стаття фахівцям з термічної металообробці здасться, швидше за все, набором банальностей і всім відомих фактів. До того ж вони, можливо, знайдуть і деякі неточності в термінології. Запропонована інформація призначена не для них, вона адресується людям, далеким від металургії, дилетантам, які цікавляться, чим відрізняється по міцності від хорошого леза звичайний столовий або складаний ніж, поверхневе загартування від об`ємної і тому подібними питаннями. Купуючи той чи інший потрібний в господарстві предмет, споживач стикається з суттєвою ціновою різницею. Продавець не завжди може кваліфіковано і зрозуміло пояснити, чому один інструмент (гайковий ключ, наприклад) коштує набагато дорожче іншого при загальній зовнішній схожості. Він, швидше за все, спробує «запудрити мізки» малозрозумілими для звичайного обивателя поняттями і термінами. У перекладі на звичайну мову ці пояснення будуть означати, що розвідний ключ не зламається або прослужить довше, а заточка буде вимагатися набагато рідше (якщо клієнт бажає придбати ніж). «Поверхневе загартування!» - Загадково вкаже причину продавець, закотивши від уявного захоплення очі. Що ж це таке?

Протилежні властивості в одному виробі

Як зрозуміло з словосполучення, термічній обробці в цьому випадку піддається тільки зовнішній тонкий шар вироби. Про те, що сталь вимагає загартування, смутно здогадуються всі, навіть ті, хто взагалі не знає, що це таке. Саме цим вона відрізняється від звичайної «залізяки», м`якою і ламкою. Але чому такою пошаною користується саме поверхнева? Загартування застосовується для зміни властивостей металу, а не заради якогось поліпшення, як це декларується дуже часто. Якість, корисне в одних випадках, стає шкідливим в інших. Напилок твердий, тому їм легко обробляти залізо, алюміній або бронзу, але якщо його спробувати зігнути або вдарити по ньому молотком, то він трісне. Це ж стосується пиляльного полотна, часто ламається при неправильному вугіллі розпилу. Для того щоб надати твердість у поєднанні з гнучкістю або пластичністю, застосовується поверхневе загартування. Після неї властивості вироби можуть поєднувати в собі якості, іноді протилежні, характерні для різних кристалічних структур. Тепер потрібно заглибитися в деякі матеріалознавчі подробиці.

Найпростіші уявлення про полиморфности металів

Один і той же метал може, в залежності від форми кристалічної решітки, володіти різними фізичними властивостями (твердістю, в`язкістю, тягучість, гнучкістю, пружністю і т. Д.) Ця здатність змінювати механічні параметри носить назву полиморфности. Дуже давно, виготовляючи примітивні зразки зброї, люди помітили, що той чи інший меч або тесак вийшов вдаліше, він довше зберігає гостроту і при цьому не ламається. Зрозуміло, наші пращури не були знайомі з молекулярними структурами металу, до всього вони доходили інтуїтивно і емпірично. Так, дослідним шляхом вони відкрили, що якщо нагріти вістря, то від відтінків світіння залежить його температура. При швидкому охолодженні в металі щось змінюється, він стає або твердіше, або набуває гнучкість. Якщо його повторно нагріти, він знову стає таким, як був, а іноді і гірше. На той час сформувалися цілком конкретні уявлення про те, яким повинен бути, наприклад, ідеальний мисливський ніж. Поверхневе загартування теж застосовувалася вже тоді, але частіше використовувалася так звана місцева, тобто така, при якій твердим було вістря, гнучким - середина леза, а частина клинка, що примикає до рукояті - пластичної (нехай краще небагато зігнеться, але не ламається).

Що відбувається всередині

Не вдаючись в особливі подробиці, слід зазначити, що структура загартованої сталі буває трьох основних видів: мартенситной, троостітной і сорбітной. Від співвідношення цих кристалічних утворень і залежать механічні характеристики. В даному випадку неважливо, яке з них і яким чином впливає на твердість. Результат залежить від того, наскільки прогріте метал і як швидко він охолоджений. Таким чином, поверхневе загартування може виникати при підвищенні температури верхнього шару і подальшим охолодженням або в результаті віддачі тепла зовнішньому середовищі (рідини, найчастіше маслу, воді і розсолу, повітрю або іншим агентам), або за рахунок часткового відходу його всередину вироби. При цьому поліморфні перетворення відбуваються пошарово, залежно від ступеня досягнення критичної температури, впливає на формування нової кристалічної структури.

В результаті відбувається зміна за такими зонами:

Відео: Індукційна гарт

- Верхня, що зазнала зміцнення.

- Проміжна, загартована частково. Її ще називають зоною термічного впливу.

- Область зниженою твердості.

- Внутрішня частина, яка не зазнала змін.

Методи поверхневого гарту

Створити верхній шар, що володіє підвищеною твердістю, можна кількома способами. Залізничні вагонні ресорні пружини просто обстрілюють дрібними металевими кульками (дробом), що створюють ущільнення поверхні, при цьому внутрішній об`єм металу залишається досить пластичним, щоб витримувати тривалі механічні навантаження. Найбільш древнім вважається спосіб швидкого нагріву предмета на відкритому вогні, що супроводжується окропленням або струменевим обтіканням. Саме за такою технологією виготовляється традиційний східний кривої ніж (керамбит). Поверхневе загартування може проводитися і за допомогою інтенсивного охолодження. Відомі також газово-плазмовий, індукційний, лазерний та інші способи. На деяких з них варто зупинитися докладніше.

ТВЧ

В середині 30-х років радянський вчений В. П. Вологдин винайшов метод додання заданно-нерівномірною молекулярної структури великим деталей за допомогою струмів високої частоти. Машинобудування розвивалося стрімко, промисловості були потрібні технології, що забезпечують масове виробництво без шкоди для якості. Поверхневе загартування ТВЧ заснована на явищі індукції. Особливість методу полягає в залежності товщини прогреваемого шару від частоти і величини струму в випромінюючої рамці. При цьому результат з високим ступенем ймовірності прогнозуємо, отже, контроль якості істотно спрощується. До того ж метод можна застосовувати для обробки габаритних виробів та вузлів, на зразок колінвалів і інших великих предметів, які можна переміщати по індуктора, послідовно піддаючи впливу всю довжину. За цією технологією важко підібрати параметри, щоб обробити невеликі і плоскі предмети, наприклад, ніж. Поверхневе загартування струмами високої частоти може бути застосована до виробів щодо об`ємним, міцність і зносостійкість яких залежить від механічних властивостей верхнього шару.

Особливості застосування методу ТВЧ

Метод розроблявся в умовах швидкого розвитку машинобудівної галузі, головною для оборонного потенціалу СРСР, що знайшло прояв у специфіці його застосування. Найважливіші деталі тракторів, танків, автомобілів або літаків мають розміри, що не дозволяють поміщати їх в рамку компактного індуктора, виготовляти обладнання для кожної з них було занадто дорого, а якщо його робити в розрахунку на найбільші габарити, то витрати енергії ставали величезними. Однак індукційна поверхневе загартування застосовується для будь-яких виробів, від відносно невеликих до величезних. Наприклад, шестерні піддаються впливу ТВЧ послідовно, провертаючись «зуб за зубом». Безперервно-послідовно прогріваються елементи колінчастих і карданних валів, переміщаючись всередині нерухомої рамки індуктора, при цьому охолоджувач (Спрейер) включений в технологічний процес відразу ж після нього. У крайовому вузлі установки здійснюється негайно зрошення оброблюваної деталі бризками води (звідси і назва, співзвучне зі «спрей»).

Ну а вироби з невеликою поверхнею загартування поміщаються в індуктор цілком і охолоджуються так само.

лазер

Це пристрій, в наш час використовується досить широко в самих різних областях людської діяльності, знайшло застосування і в металообробці. Метод не вимагає подальшого охолодження, оскільки вплив променя короткочасно і впливає воно на самий верхній шар металу, викликаючи бажані зміни кристалічної структури. «Лазерна заточка» дійсно забезпечує тривалий час відсутність потреби жартувати ріжучий інструмент (В основному для них і застосовується), якщо при виготовленні його дійсно застосований цей метод. Однак слід враховувати, що в наш контрафактний століття напис на виробі не завжди відповідає істині. Іноді таким клеймом прикрашений і продається на вуличному кіоску якийсь дешевий ніж-«метелик». Поверхневе загартування променем лазера - технологія недешева, вона доступна лише провідним виробникам інструменту.

холод

Фізичною основою методу стало відкриття явища підвищення твердості стали в результаті переходу аустенитной структури в мартенситную при глибокому заморожуванні. Проводиться така поверхнева гарт за методом, розробленим А. П. Гуляєвим, М. А. Мінкевич і С. С. Штенберг в СРСР. Застосуємо він для вуглецевої (містить понад 0.5 відсотка С) і легованої сталі спеціального призначення, наприклад, виробленої для виготовлення швидкісних різців та інших особливих інструментальних виробів.

Відео: Індукційна гарт шестерні по западині

електронагрів

У загальному і цілому він побудований на такому ж принципі, як і індукційна гарт, з тією лише різницею, що нагрів проводиться резистивної, за рахунок проходить струму великих значень і опору деталі. Частота напруги, що підводиться точно так само впливає на глибину прогреваемого шару, і чим вона вища, тим він тонше. Поверхня підвищеної твердості може становити від часток міліметра до декількох його одиниць. Це залежить від вимог, що пред`являються до виробу і його розмірів. У порівнянні з ТВЧ у електрорезістівного методу більш широкий діапазон струмів, температур і глибин шарів. За допомогою його може виготовлятися, наприклад, настільки масовий і вимагає особливої якості предмет, як солдатський багнет-ніж. Поверхневе загартування електричним вимагає технологічно вивіреного режиму охолодження в маслі, воді або інших теплопрінімающіх агентах.

висновки

Отже, основним завданням поверхневого гарту є такий розподіл кристалічної структури всередині вироби, при якому всередині нього залишаються різновиди сорбіту або троостита, а зовні утворюється шар мартенситу. Домогтися цього можна кількома методами, від найпростіших і найдавніших до найбільш технологічних і сучасних. У будь-якому випадку якісна гарт стали вимагає високої кваліфікації і точності дотримання виробничих регламентів. Виріб, виготовлений за всіма правилами, дешевим бути не може. З цієї причини коштує дорого і хороший кухонний ніж, і керамбит. Поверхневе загартування променем лазера найбільш поширена саме для ріжучих інструментів.