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

Мистецтво термічної обробки металів відомо людству давно. Їм майстри, які займалися виготовленням інструментів, а в особливості зброї, оволодівали самостійно, або навчалися довгі роки у інших фахівців, більш досвідчених. Секрети зберігалися в таємниці, що, звичайно, знижувало швидкість поширення технологій, але підвищувало конкурентоспроможність конкретного виробника продукції специфічного призначення. Одним із прийомів середньовічних зброярів була поверхнева гарт, надає різальним кромкам 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. Надається інформація призначена не для них, вона адресується людям, далеким від металургії, дилетантам, хто цікавиться, чим відрізняється по міцності від хорошого леза звичайний столовий або складаний ніж, поверхнева гарт від об'ємної і тому подібними питаннями. Купуючи той чи інший потрібний у господарстві предмет, споживач стикається з суттєвої цінової різниці. Продавець не завжди може кваліфіковано і зрозуміло пояснити, чому один інструмент (гайковий ключ, наприклад) коштує набагато дорожче іншого при спільної зовнішньої 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 заточення буде потрібно набагато рідше (якщо клієнт бажає придбати ножа). «Поверхнева гарт!» - загадково вкаже причину продавець, закотивши від уявного захоплення очі. Що ж це таке?

Більше:

Витратний метод ціноутворення. Плюси і мінуси

сьогодні здаються стародавніми радянські часи формування ціни було досить простою справою, що вимагає від економістів лише знання основ математики. При відсутності конкуренції показник ціни не грала тієї ролі, яку він грає зараз. Якщо раніше до ціни ...

Системний підхід в менеджменті

Системний підхід в менеджменті являє собою спосіб мислення по відношенню до управління і організації. Його не можна плутати з набором різних принципів дії для управлінського апарату. Вперше застосування цього інструменту управління відзначено в кінці...

підприємницька діяльність. її сутність та основні функції

Підприємницька діяльність громадянина – це здійснювана на свій страх і ризик самостійна діяльність, метою якої є систематичне отримання прибутку за рахунок продажу робіт, товарів, послуг, використання майна. При цьому громадянин, який здійснює ...

Протилежні властивості в одному виробі

Як ясно з словосполучення, термічній обробці в цьому випадку піддається тільки зовнішній тонкий шар виробу. 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 ножівкового полотна, часто ламається при неправильному вугіллі розпилу. Для того щоб надати твердість у поєднанні з гнучкістю або пластичністю, застосовується поверхневе загартування. Після неї властивості виробу 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 (твердість, в'язкість, тягучістю, 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 нагрівати, він знову стає таким, як був, а іноді й гірше. До того часу 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 – пластичною (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: мартенситної, трооститной і сорбитной. 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 наступним охолодженням або в результаті віддачі тепла зовнішнього середовища (рідини, найчастіше олії, води і розсолів, повітрям чи іншим агентам), або за рахунокчасткового відходу його всередину виробу. При цьому поліморфні перетворення відбуваються пошарово, залежно від ступеня досягнення критичної температури, що впливає на формування нової кристалічної структури.

У результаті відбувається зміна по наступних зонах:

- Верхня, піддалася зміцненню.

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

- Область зниженої твердості.

- Внутрішня частина, що не піддалася змінам.

Методи поверхневої гарту

Створити верхній шар, що володіє підвищеною твердістю, можна кількома способами. Залізничні вагонні ресорні пружини просто обстрілюються дрібними металевими кульками (дробом), що створюють ущільнення поверхні, при цьому внутрішній об'єм металу залишається достатньо пластичним, щоб витримувати тривалі механічні навантаження. Найдавнішим вважається спосіб швидкого нагрівання предмета на відкритому вогні, що супроводжується кропленням або струменевим обтіканням. Саме за такою технологією виготовляється традиційний східний кривий 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

У середині 30-х років радянський вчений В. П. Вологдін винайшов метод надання задано-нерівномірною молекулярної структури великих деталей за допомогою струмів високої частоти. Машинобудування розвивалося стрімко, промисловості 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 та величини струму в випромінюючої рамці. При цьому результат з високим ступенем ймовірності прогнозуємо, отже, контроль якості суттєво спрощується. До того ж метод застосуємо 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 застосовується 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, які 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 невеликих до величезних. Наприклад, шестерні піддаються впливу ТВЧ послідовно, провертаючи «зуб за зубом». Безперервно-послідовно елементи прогріваються колінчастих і карданних валів, переміщаючись всередині нерухомої рамки індуктора, при цьому охолоджувач (спрейер) включений в технологічний процес відразу ж після нього. У крайовому сайті установки проводиться негайне зрошення оброблюваної деталі бризками води (звідси і назва, співзвучне з «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 тривале відсутність потреби гострити ріжучий інструмент (в основному для них і застосовується), якщо при виготовленні його дійсно застосовано 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 який-небудь дешевий ніж-«метелик». Поверхневе загартування променем лазера – технологія недешева, вона доступна лише провідних виробників інструменту.

Холод

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

Електронагрів

загалом іцілому він побудований на такому ж принципі, як і індукційна загартування, з тією лише різницею, що нагрів проводиться резистивно, за рахунок проходження струму великих значень і опору деталі. Частота підводиться напруги точно так само впливає на глибину прогреваемого шару, і чим вона вища, тим він тонше. Поверхню підвищеної твердості може складати від часток міліметра до декількох його одиниць. Це залежить від вимог, що пред'являються до виробу і його розмірів. Порівняно з ТВЧ в электрорезистивного методу більш широкий діапазон струмів, температур та глибин шарів. З його допомогою може виготовлятися, наприклад, такий масовий і вимагає особливої якості предмет, як солдатський штик-ніж. Поверхневе загартування електронагрівом вимагає технологічно виваженого режиму охолодження в маслі, воді чи інших теплопринимающих агентів.

Висновки

Отже, основним завданням поверхневої гарту є такий розподіл кристалічної структури всередині виробу, при якому усередині нього залишаються різновиди сорбіту або троостита, а зовні утворюється шар мартенсіту. Домогтися цього можна кількома методами, від найпростіших і найдавніших до найбільш технологічних і сучасних. У будь-якому випадку якісна загартування сталі 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 як раз для різальних інструментів.