Какая обработка стальных изделий называется улучшением?

Улучшение стали

Улучшение стали – комплекс операций по проведению термической обработки, в который включены закалка и высокий отпуск. У обработанных деталей повышаются:

  • прочность;
  • пластичность;
  • вязкость ударная;
  • прочность усталостная;
  • снижается порог хладноломкости.

Сущность процесса улучшения

Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:

  1. Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
  2. Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
  3. Среднелегированные. Количество вводимых элементов в пределах от 3% до 10%.

При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На данном этапе необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали преобладает внутренняя структура – мартенсит.

Структура улучшаемой стали

Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.

Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.

Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:

  1. Прочностные характеристики:
    1. ϬВ – предел прочности;
    2. Ϭ0,2 – предел текучести;
    3. KCU – ударная вязкость;
  1. Характеристики пластичности:
    1. δ% — относительное удлинение;
    2. ψ% — поперечное сужение;
  2. Усталостные характеристики:
    1. Ϭ-1 – усталостная прочность;
    2. Ψ-1 – предел усталости при кручении;
  3. Твердость (НВ, HRC).

Технология проведения улучшения

При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.

Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.

Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Применение улучшения

После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые требуют увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Использование углеродистых сталей обусловлено дешевизной изготовления и технологичностью.

Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала

Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.

Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.

Прокаливаемость

Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.

Марка стали Проведение закалки при температуре, °С Критический диаметр, мм
Среда интенсивного охлаждения
вода масло
45 840…850 до 9 до 25
45Г2 840…850 до 18 до 34
40ХН2МА 840…850 до 110 до 142
38Х2МФА 930 до 72 до 86

Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.

Хладноломкость

Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.

Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля

График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.

Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.

Зависимость порога хладноломкости от размера зерна

График показывает зависимость от размера зерна:

1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;

2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.

Наличие серы и фосфора отрицательно влияют на формирование мелкозернистой структуры.

Неправильный выбор материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья не раз приводил к катастрофическим последствиям. Например, вал, изготовленный из ст. 40 и прошедший улучшение в умеренном климате, работает не один год. А на Чукотке при морозе больше 50°С он сломается в первые месяцы эксплуатации.

Механические свойства после улучшения

У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:

  • ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
  • KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
  • HRC (твердость) – 40…50.

Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.

Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:

  • ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
  • Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
  • ψ% (поперечное сужение) – 41%;
  • HВ (твердость) – 241.

Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.

Улучшение стали при изготовлении деталей

Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.

Технологический процесс выглядит так:

  1. Получение заготовки объемной штамповкой.
  2. Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
  3. Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
  4. Механическая обработка.
  5. Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
  6. Шлифование зубьев.

Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:

  • степень легирования;
  • диаметр и размер заготовки;
  • переходы, являющиеся источниками напряжений;
  • прилагаемые динамические нагрузки;
  • условия работы;
  • требуемая твердость.

Улучшаемые стали

Улучшаемые стали — это конструкционные материалы:

  1. углеродистые;
  2. малолегированные;
  3. среднелегированные.
I II III
Углеродистые малолегированные среднелегированные
ГОСТ 1050-82 ГОСТ 4543-71 ГОСТ 4543-71
30-60 Морганцовистые 30Г-65Г, хромистые 30Х-40Х 38Х2МЮА и прочие, но с содержанием углерода не более 0,4%
Хроммолибденовые 30ХМ-40ХМ, 50Г2
Многокомпонентные 30-40ХГСА, 30-40ХМФА 45ХН2МФА

Легированные стали можно поделить на несколько категорий:

  • хромистые;
  • хромомарганцевые (хромансиль);
  • никелесодержащие;
  • с добавлением вольфрама и молибдена.

Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она производится при соблюдении некоторых мер, сохраняющих требуемые характеристики.

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Читайте также  Как сделать бормашину в домашних условиях?

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали

Тонкая пленка окислов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°С; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300° ) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях.

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали.

табл.1

Цвет побежалости Температура, °С Инструмент, который следует отпускать
Бледно-желтый 210
Светло-желтый 220 Токарные и строгальные резцы для обработки чугуна и стали
Желтый 230 Тоже
Темно-желтый 240 Чеканы для чеканки по литью
Коричневый 255
Коричнево-красный 265 Плашки, сверла, резцы для обработки меди, латуни, бронзы
Фиолетовый 285 Зубила для обработки стали
Темно-синий 300 Чеканы для чеканки из листовой меди, латуни и серебра
Светло-синий 325
Серый 330

Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330 ° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние тростита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость.

При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий — для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Антикоррозионная обработка изделий после термической обработки

После термической обработки, связанной с применением солей, щелочей, воды и прочих веществ, могущих вызывать при длительном хранении изделий коррозию, следует провести антикоррозионную обработку стальных изделий, заключающуюся в том, что очищенные, промытые и высушенные изделия погружают на 5 минут в 20 — 30% водный раствор нитрита натрия, после чего заворачивают в пропитанную этим же раствором бумагу.
В таком виде изделия могут храниться длительное время

Виды и свойства улучшаемых сталей

Во многих случаях от конструкционных сталей требуется оптимальное сочетание хорошей твёрдости с достаточной вязкостью сердцевины. Такой структурой обладают улучшаемые стали, как легированные, так и нелегированные. Их характерная особенность – содержание углерода в диапазоне 0,3…0,6%. Само улучшение представляет собой процесс комбинированной термической обработки, который включает закалку с последующим высоким отпуском, благодаря которому в структуре материала, наряду с аустенитом и мартенситом присутствует также значительное количество пластичного сорбита.

  • Сущность процесса улучшения
  • Используемые технологии
  • Прокаливаемость
  • Хладноломкость
  • Механические свойства после улучшения
  • Сферы применения

Классификация и марки улучшаемых сталей

По условиям эксплуатации такие стали используются для ответственных деталей зубчатых передач – шестерён, валов-шестерён, зубчатых колёс, которые функционируют в условиях как обычных, так и циклических знакопеременных нагрузок.

Эксплуатационная стойкость может быть достигнута сочетанием двух схем термической обработки: упрочнением поверхностного слоя (закалка, причём не только пламенная, но и электрическая, с применением токов высокой частоты) при пластично-вязком внутреннем слое, который является своеобразной подложкой для поверхностных объёмов.

  • Конструкционные среднеуглеродистые (35, 45) по ГОСТ 1060-2012;
  • Легированные (преимущественно хромом, никелем и/или молибденом) среднеуглеродистые конструкционные марок 18ХГТ, 45Х, 40ХН, 45ХНМ, 35ХМ по ГОСТ 4543-91;
  • Быстрорежущие типа Р9 или Р18 по ГОСТ 19265-73, применяемые для производства металлорежущей оснастки;
  • Рессорно-пружинные средней упругости, например, 65Г по ГОСТ 14959-2016, которые используются для изготовления катков опорно-поворотных устройств грузоподъёмных кранов, или пружинных шайб ответственного назначения.

Почти все стали, пригодные для улучшения, отличаются плохой свариваемостью.

Сущность процесса улучшения

На первой стадии процесса улучшаемое изделие подвергается отжигу, цель которого – снять возможные внутренние напряжения. Диапазон температур отжига колеблется от 680…720 0 С (для инструментальных сталей) до 800…900 0 С – для конструкционных. С ростом процентного содержания углерода температуру отжига снижают.

Закалка проводится при тех же режимах, что и для одностадийных упрочняющих операций термообработки (от 900 до 1200 0 С), но после закалки обязательно следует высокий отпуск, температура которого не должна быть ниже 500…700 0 С.

Термообработке поддаются улучшаемые конструкционные стали, для работы которых необходимо сочетание прочности и вязкости, что обеспечивает такая результирующая структурная составляющая как сорбит. Представляя собой зернистый перлит с наличием некоторого количества остаточного аустенита, структура сорбита обязательна именно в поверхностных и подповерхностных слоях.

Для улучшения структуры и уменьшения деформации при термообработке закалку проводят в масле. Это снижает коробление (особенно в деталях, резко неравномерных по своему поперечному сечению) и способствует повышению точности улучшаемых изделий.

Отпуск чаще всего производится на спокойном воздухе при температуре 580…650 0 С.

  • Среди эксплуатационных преимуществ процесса улучшения:
  • Максимально возможная твёрдость после закалки;
  • Высокая ударная вязкость;
  • Однородность свойств по всем направлениям;
  • Малая чувствительность к знакопеременным нагрузкам.

Важнейшее значение для соблюдения технологии улучшения имеет режим отпуска, влияющий на твёрдость детали. Отпуск пружинных сталей ведётся при 450…550°C, итоговая твёрдость не превышает 42…45 HRC. С повышением температуры отпуска до 550…650 0 С твёрдость достигает 62…65 HRC, что характерно для быстрорежущих сталей.

Закалка при улучшении обычно выполняется в печах, оснащённых опцией защитного газа. Защитный газ предотвращает окисление поверхности во время термообработки, что важно для высокотемпературных термических печей периодического действия.

Для некоторых видов улучшаемых изделий большое значение имеет время выдержки при температуре отпуска; увеличенное время выдержки будет соответствовать более высокой температуре.

В зависимости от марки стали в определенных температурных интервалах может возникать такое опасное явление, как отпускная хрупкость. Области отпускной хрупкости устанавливаются по данным марочников сталей.

Используемые технологии

Преимущественное распространение получили три варианта улучшения:

  1. Закалка при повышенной температуре (в расплавленной соли или в горячем масле), которая способствует существенному снижению деформации деталей. Этот процесс используется в основном для легированных сталей и деталей с резкими перепадами сечений;
  2. Аустенитизация – вариант, реализуемых для изделий с тонкими профилями. Используется для большинства марок средне- или высокоуглеродистых сталей, а также для габаритных деталей, изготовленных из легированных сталей. Аустенитизация требует высокотемпературной закалки и выдержки, обычно в расплаве соли, но зато минимизирует риск искажения формы, а образующаяся структура не требует последующего отпуска;
  3. Закалка от обычных температур в воде или масле, но с последующим двухступенчатым отпуском: вначале при более высоких, а затем — при более низких температурах. Применяется для рессорно-пружинных сталей, у которых формирование сорбита отпуска затруднено.

Для улучшаемых инструментальных сталей вместо отпуска проводят отжиг, при этом температуру закалки (по сравнению с рекомендуемой) увеличивают на 20…30 0 С. Такую термообработку предусматривают после черновых металлорежущих операций.

Какая сталь – улучшаемая? Такой вопрос часто задают термисты, учитывая, что класс улучшаемых при термической обработке изделий чётко не выражен. По современным воззрениям, в расчёт преимущественно принимаются два критерия – прокаливаемость и хладноломкость.

Прокаливаемость

Каждая сталь имеет «предельный» размер сечения, выше которого невозможно достичь полной закалки (повышения твёрдости). Для обеспечения оптимальных свойств сечения требуется либо материал более высокого качества, либо повышение скорости охлаждения, возможно, даже с использованием охлаждающих сред с пониженной температурой (охлаждение в сплошном потоке).

Однако более высокая скорость закалки всегда увеличивает риск деформации или растрескивания, а быстрое охлаждение снижает ударную вязкость.

На прокаливаемость влияют следующие факторы:

  • Процентное содержание алюминия и азота. Некоторые углеродистые и низколегированные стали содержат более 0,3… 0,5 % алюминия (добавляется для раскисления), что снижает твёрдость после закалки. Таким же является и влияние азота;
  • Наличие неконтролируемой атмосферы внутри закалочной печи. В печах с защитной атмосферой прокаливаемость всегда повышается;
  • Наличие в химическом составе никеля и хрома, при высоких температурах закалки уменьшает глубину закалённого слоя, а при повышении скорости охлаждения способствует отпускной хрупкости. Чтобы сохранить требуемую сорбитную структуру, отпуск ведут при максимально возможных температурах. Если показатели твёрдости неудовлетворительны, прибегают к нагартовке в холодном состоянии.

Для сталей с повышенным содержанием углерода (быстрорежущих) на прокаливаемость влияет также поверхностное обезуглероживание.

Хладноломкость

Хладноломкость представляет собой явление пониженной пластичности материала при комнатных температурах. Опасность заключается в том, что внешне заготовка выглядит обычной, но при механической обработке коробится, а затем растрескивается. Особенно большой вред наносит хладноломкость деталям с тонкими рёбрами и полотнами, которые изготовлены из высокоуглеродистых сталей.

Для снижения эффекта хладноломкости требуется увеличить вязкость материала изделия. Критерием служит параметр интенсивности падения ударной вязкости, который называется температурой перехода из пластичного в хрупкое состояние. Обычно этот показатель составляет около -75°C. Падение вязкости с температурой происходит тем интенсивнее, чем больше углерода в стали.

На хладноломкость влияет также наличие мартенситной структуры, а также повышенный процент серы и фосфора в жимсоставе. Если изменить режим улучшения невозможно, следует либо заменить материал, либо конструктивным образом избавиться от участков, имеющих тонкие и острые кромки.

Механические свойства после улучшения

Для некоторых, наиболее употребительных марок сведены в таблицу:

Сферы применения

Улучшаемыми являются стали, из которых производят:

  • Ответственные детали тяжелонагруженных зубчатых и реечных передач, работающие в условиях ударных и реверсивных нагрузок;
  • Изделия с тонкими полотнами и поперечными сечениями, которые существенно разнятся по зонам;
  • Металлорежущий инструмент с острыми кромками, преимущественно из быстрорежущих сталей;
  • Контрольно-измерительные приспособления повышенной точности;
  • Средненагруженные рессоры и пружины.

Улучшению подвергают и другую продукцию из среднеуглеродистых сталей, для которых важно иметь сорбитную микроструктуру.

Обработка стали.Свойства стали и сплавов.

Влияние способа обработки на свойства стали и сплавов

Термическая обработка — термической обработкой стали называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму, для направленного изменения ее структуры с целью получения необходимых эксплуатационных свойств. Возможность влияния термической обработки на структуру и свойства сталей и сплавов определяется вторичной кристаллизацией. Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении происходит в полном соответствии с диаграммой состояния характеризуется следующими этапами:

превращение аустенита в феррит;

выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;

укрупнение частиц цементита, размеры которых меняются от долей микрона до нескольких микрон.

Существенное значение для протекания вторичной кристаллизации имеют условия охлаждения. Изменяя условия охлаждения, можно получить различные модификации перлита, а именно, сорбит, троостит или мартенсит, что существенно влияет на свойства сталей и сплавов.
Сорбит получают при скорости охлаждения около 50 град./сек. При образовании этой структуры протекание всех перечисленных выше этапов происходит, но достаточно ограниченно. Толщина образовавшихся при этом пластинок цементита — 0,1. 0,5-10-8 м. Твердость сорбита 250. 350 НВ.
Троостит образуется при скорости охлаждения 50. 100 град./сек. При такой скорости охлаждения возможны только первый и второй этапы вторичной кристаллизации. Пластинки цементита в троостите не превышают по толщине 1-10-10 м. Твердость троостита 350. 450 НВ.
Мартенсит стали — пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в a-Fe с искаженной кристаллической решеткой, получаемый при скорости охлажде¬ния 150. 200 град./сек. При образовании мартенсита получают максимальные твердость (НВ 180. 650) и хрупкость при минимальных плотности и вязкости. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания в нем углерода. Однако увеличение содержания углерода повышает склонность мартенсита к хрупкому разрушению.

Основные виды термической обработки стали — отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг стали — термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30. 50°С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температур выше нижних критических точек на 30. 50°С, а при низкотемпературном отжиге — до температур, лежащих ниже нижних критических точек.
Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.
Разновидностями отжига сталей являются нормализационный и изотермический отжиги.

Нормализационный отжиг (нормализация) — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры на 30. 50°С выше верхних, критических точек, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3. 0,7% — сорбитную. Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.

Изотермический отжиг — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве стали до температуры, на 30. 50°С превышающей верхнюю критическую точку, выдержке при этой температуре, а затем переносе детали в другую печь с заданной температурой (ниже верхней критической точки) и изотермическую выдержку ее до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.

Закалка стали — термическая обработка, включающая нагрев до температур выше верхних критических точек на 30. 50°С, выдержку при этих температурах до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результате закалки в стали из аустенита образуется мартенсит. Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.
Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате закалки.
Прокаливаемость — способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия (образца). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5. 7 мм.
Микроструктура стали с 0,08. 0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15. 0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110. 130 НВ до 140. 180 НВ, а предел текучести возрастает на 30. 50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30. 0,35%.
В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения.

Отпуск стали — термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение. Стали с зернистой микроструктурой отпуска характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием. В зависимости от температуры отпуска различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска. Закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском называется улучшением стали. Улучшение обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударная вязкость, твердость) и применяется для ответственных изделий из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и др. детали). К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относят трещины и деформацию. Деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической обработки,
Легированная сталь имеет меньшую теплопроводность, чем углеродистая, поэтому требует замедленных нагрева и охлаждения, во избежание коробления и трещин.

Термомеханическая обработка (ТМО) стали — совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500 . 700°С) аустенита (НТМО). Такой вид обработки позволяет получить сталь высокой прочности (до 270 МПа). Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском позволяют получить очень высокую прочность ( sigma= 2200. 3000 МПа) при хорошей пластичности (delta = 6. 8%, psi= 50. 60%) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распространения трещин, а также сниженные критическую температуру хрупкости, чувствительность к концентраторам напряжений и необратимую отпускную хрупкость.

Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.) при высоких температурах. Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает их надежность и долговечность.

Отпуск (превращения в закаленной стали при нагреве)

Мартенсит, получаемый в результате закалки неравновесная, неустойчивая структура, поэтому он может длительно сохраняться лишь при достаточно низких температурах (≤ 100…150 о С), где диффузия атомов несущественна.

При нагреве закаленной стали в докритическом интервале температур (t о С) в ней развиваются диффузионные процессы, постепенно приближающие структуру и свойства стали к равновесному состоянию– это процессы отпуска.

Структура и свойства стали при отпуске зависят от температуры нагрева. Соответственно различают три вида отпуска: низкий(≈200 о С), средний(≈400 о С),высокий(≈600 о С).

При низком отпуске существенных изменений в структуре еще не происходит (структура— мартенсит отпуска), лишь уменьшается степень тетрагональности, частично снимаются внутренние напряжения, незначительно понижается твердость и повышается пластичность. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда от изделий в первую очередь требуется высокая твердость (режущий, измерительный и холодноштамповый инструмент, детали шариковых подшипников, шестерни после цементации и т.п.).

При среднем отпуске избыточный углерод в виде мельчайших частиц цементита практически полностью покидает решетку мартенсита. Решетка мартенсита обезуглероживается и превращается в ОЦК решетку феррита (степень тетрагональности = 1).

В результате образуется феррито – цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Твердость и прочность заметно понижаются, повышается ударная вязкость. Такая структура при твердости HRCэ 35…45 обеспечивает наибольшую упругость стали, поэтому средний отпуск обычно применяют для пружин, рессор, мембран, ударного инструмента.

При высоком отпуске изменений в фазовом составе (Ф+Ц) уже не происходит (см. диаграмму Fe–Ц), но развиваются диффузионные процессы укрупнения и округления частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Соответствующая структура называется сорбитом отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она применяется для ответственных изделий (валов, рычагов, зубчатых колес и т.п.), изготавливаемых из среднеуглеродистых (0,3…0,5 %С) улучшаемых сталей, так как обеспечивает в этом случае наилучший комплекс механических свойств – максимальную ударную вязкость при достаточно высокой прочности. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита (в отличие от сорбита закалки, в котором острые концы пластинок цементита играют роль концентраторов напряжений, способствующих зарождению микротрещин).

На рис. 2.2.6 в качестве примера показано изменение механических свойств стали 45 в зависимости от температуры отпуска.

Рис. 2.2.6. Зависимости механических свойств закаленной стали от температуры отпуска (сталь 45)

Заметим, что с повышением температуры отпуска свойства приближаются к значениям, соответствующим отожженному (равновесному) состоянию, но не достигают их даже при высоком отпуске (в частности, сохраняется более высокая твердость и прочность).

Очевидно, что правильный выбор температуры отпуска позволяет сформировать окончательную структуру и комплекс механических свойств, обеспечивающих успешную работу изделия данного назначения.

Внимание!

В начале этой темы (2.2) отмечалось, что все ответственные стальные изделия должны проходить упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки и отпуска. Поэтому данная тема с точки зрения и теории и практики – одна из наиболее важных в курсе материаловедения. Соответствующие знания совершенно необходимы для выполнения как первой, так и второй части контрольной работы, посвященной выбору материалов для изделий различного назначения. Поэтому изучению материала данной темы нужно уделить особое внимание. Все явления, касающиеся термической обработки сталей, входят и в обязательный перечень экзаменационных вопросов. Рекомендуется также выполнить лабораторную работу 6 и, конечно, ответить на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.2

1. Из каких этапов состоит упрочняющая термическая обработка сталей?

2. Что такое закалка сталей? Какова ее цель?

3. Нарисуйте диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали; объясните смысл ее линий.

4. Что такое критическая скорость закалки (Vкр)? Как определяется ее величина?

5. Какую структуру и механические свойства приобретает сталь при охлаждении со скоростью V ≥ Vкр?

6. Какие структуры получаются в стали при охлаждении со скоростями V

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: