Теория термообработки.
Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью
направленного изменения его структуры и свойств.
Классификация видов термообработки:
Отжиг.
Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах
равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной
температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное
охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле,
уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на
отжиг 1 рода и 2 рода.
Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных
изменений, связанных с фазовыми превращениями.
Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:
1. Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической
неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В
отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются
неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как
в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.
Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления
исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая
неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно
только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с
длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре
подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени
за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического
состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного
зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить
зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка),
необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких
лет. А это практически невозможно.
В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение
неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате
кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении
после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после
гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается
пластической деформации.
2. Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает
изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает
увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии,
дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы
зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все
эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается,
пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая
деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для
снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев
металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим
медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для
чистых металлов температура начала рекристаллизации tp=0,4Тпл, єК, для
обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл.
Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем
составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига
происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих
зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество
дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и
металл возвращается в исходное состояние.
Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к
критической ((кр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают
крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным
отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате
получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее
сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90%
вызывает появление в металле текстуры деформации. После
рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру
рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным
ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических
свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая
выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать
диаграмму рекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная,
промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная
термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное
состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как
промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между
операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком
велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид
отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки
полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях
потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень
прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо
рекристаллизационного отжига используют его разновидность – отжиг на
полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая
ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой
температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов
возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов
кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без
изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от
температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше
наклеп, тем больше пластичность и наоборот.
3. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле
могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть
термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева,
различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей
деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными,
т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри
детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в
металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е.
возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и
приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с
помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах
ниже температуры рекристаллизации: tотж=0,2-0,3Тпл є К. Повышенная
температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних
напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным
уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с
пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При
нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет.
Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и
продолжительность такого отжига составляет несколько часов.
4. Патентирование. Смотреть термообработку стали.
Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной
структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.
При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как
частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена (((((() в
результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить
строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние
напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг
второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге
структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением
исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно
изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом
виде отжига.
Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве
максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня
свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры,
выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида
фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с
полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.
Закалка с полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для
сплавов, в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.
При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до
температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в
основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры
сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее
резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки,
однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное
содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения
образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние
напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность,
уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка
кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целы
групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется
игольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное
состояние металла после такого типа закалки является термодинамически
неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние,
получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и
необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку,
которую называют отжиг.
Закалка без полиморфного превращения.
Применяется для сплавов, не испытывающих полиморфных превращений, но
имеющих ограниченную растворимость одного компонента в другом.
Если сплав, содержащий вторичные фазы, нагреть до температуры выше линии
солидус, то увеличение растворимости приведет к растворению вторичных фаз.
Если теперь такой твердый раствор быстро охладить, то выделение вторичных
фаз образоваться не успеет, т.к. для этого требуется время на прохождение
процесса диффузии, образование другой кристаллической решетки, границ
раздела между фазами. В результате, при нормальной температуре пересыщенный
метастабильный твердый раствор содержит избыток второго компонента. Такое
изменение структуры изменяет свойства сплава, прочность может, как
увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, как правило, увеличивается.
Состояние металла после такой закалки является термодинамически
неустойчивым. Самопроизвольно или под влиянием предварительного нагрева
метастабильный твердый раствор начинает распадаться с выделением вторичной
фазы, т.е. ?м(?+?ІІ. Этот процесс называется старением. Таким образом,
старение – это термообработка, которая проводится после закалки без
полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более
равновесной структуры и заданного уровня свойств.
Отпуск.
Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в
сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз
после закалки с полиморфным превращением всегда сопровождается резким
увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность
и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое
соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают
дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение
концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных
фаз.
После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру
пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава – нестабильное и с
течением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор
распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот
процесс проходит в несколько стадий:
На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются
зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны
увеличиваются.
На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины,
соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.
Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной
кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и
от решетки вторичной фазы.
На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит к
образованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и
образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так
как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на
диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от
температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если
температура нормальная, то процесс распада называется естественным
старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В
результате, после старения структура сплава представляет собой зерна
твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно
распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной
фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют
перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения.
Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.
Химико-термическая обработка (ХТО).
Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью
направленного изменения состава и свойств поверхности детали. Различные
виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо
прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств. Изменяя
состав химической среды, можно в одних и тех же деталях получать различные
свойства.
Термомеханическая обработка.
Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем
образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые
превращения, происходящие при термообработке.
Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств
в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после
термообработки в отдельности.
Термообработка сталей.
Критические точки в диаграмме FE-C.
Это температурные точки фазовых превращений. Их обычно принято обозначать
буквами Ас и Аr.
Ас – точка соответствует нагреву, температура увеличивается.
Аr – точка соответствует охлаждению, температура уменьшается.
1) Точка АС1 – первая критическая точка (линия PSK). Температура
равновесная, равная 727 (С. На этой линии идет реакция перехода П (А.
2) Точка АС2 =768 (С. Переход железа из магнитного в парамагнитное
состояние.
3) Точка АС3 (линия GS), в зависимости от химического состава,
температура меняется от 911 до 727 (С. Превращение: Ф (А.
4) Точка АС4 (линия NY), температура 1400 (С и выше. Превращение: А (S
–феррит. Выше этой точки стараются не нагревать.
5) Точка Асm (линия SE) А+Ц(( (А
Нагрев и охлаждение.
Процесс термообработки стали, в любом случае, включает в себя нагрев и
охлаждение, при этом происходят структурные и фазовые превращения. Эти
превращения принято разделять на четыре основных вида:
1. П ( А при повышении температуры;
2. А ( П при уменьшении температуры;
3. А ( М при закалке (температура значительно уменьшается, быстрое охлаждение);
4. М ( П при отпуске (температура увеличивается).
По прохождении этих процессов при редких вариантах термообработки зависит
окончательная структура сталей а, следовательно, свойства деталей.
Первое основное превращение в стали:
П ( А (температура увеличивается)
Первое основное превращение происходит, практически, при всех видах отжига
и закалки в процессе нагрева стали. Превращение перлита в аустенит
начинается при нагреве стали выше первой критической точки АС1. При этом
зерна (Ф+Ц) в перлитном зерне взаимодействуют между собой и образуется
зародыш зерна аустенита: Ф+Ц(А
Так как поверхности раздела между ферритом и цементитом в зерне перлита
очень много, то в начальный момент времени возникает огромное количество
зародышей аустенита. Начальное зерно аустенита всегда очень мелкое.
Увеличение температуры нагрева вызывает постепенный рост зерна аустенита.
Чем выше температура, тем крупнее зерно.
Одновременно с ростом зерна аустенита происходит растворение крупных
включений цементита и выравнивание содержания углерода по сечению деталей.
Рост зерна аустенита в различных сталях идет по-разному. Если увеличение
температуры вызывает медленный рост зерна, чем больше температура, тем
больше зерно, то такую сталь называют наследственно крупнозернистой. Если
же увеличение температуры вызывает рост зерна только при нагреве до
температуры 950-1000 (С, то такую сталь называют наследственно
мелкозернистой.
Крупнозернистая сталь – это кипящая, т.е. раскаленная Mg и C.
В структуре этой стали нет никаких включений, сдерживающих границы зерен.
Поэтому зерно в такой стали увеличивается пропорционально росту
температуры.
Наследственно мелкозернистая сталь – это спокойная сталь, она раскалена Al.
FeO + Al ( Fe + Al2O3
Мелкое включение окиси Al сдерживает границы зерен от перемещения при
нагреве до температур до 950 (С, но дальнейший рост температуры вызывает
резкий рост зерна и его размер может даже превысить размер зерна в
крупнозернистой стали. Для того чтобы определить, к какому типу относится
данная сталь, проводят испытания на стандартную пробу, т.е. нагревают сталь
до температуры 930 (С и держат 8 часов. Если зерно увеличилось, то сталь
крупнозернистая, если не увеличилось, то сталь мелкозернистая.
Размер зерна аустенита является очень важной характеристикой. Чем крупнее
зерно аустенита, тем соответственно будет крупнее зерно перлита или
мартенсита, образующиеся после отжига или закалки. Крупное же зерно всегда
нежелательно, т.к. снижает ударную вязкость стали.
Второе основное превращение:
А ( П (температура уменьшается)
Это превращение происходит при медленном охлаждении стали, т.е. в процессе
отжига. Начинается оно образованием первых зародышей цементита на границе
зерна аустенита при понижении температуры ниже точки А1.
Если зерно А было крупным, соответственно крупным будет и зерно П.
Если охлаждение идет медленно, то диффузия углерода успевает пройти на
большее расстояние, соответственно образуется зерно перлита и цементита
большой толщины.
Если охлаждение идет быстро, то диффузия пройти не успевает, образуются
тонкие пластины Ф и Ц, структура перлита будет мелкодисперсной, от которой
зависти твердость стали. Чем крупнее перлитные пластины, тем меньше
твердость и наоборот. Поэтому, при медленном охлаждении твердость стали
всегда получится меньше.
Изотермическая диаграмма распада.
Четвертое превращение М ( П.
Структура закаленной стали, то есть М является т/д неустойчивой. Это
объясняется, во-первых чрезмерным количеством с в твердом растворе. Во-
вторых, большим количеством внутренних дефектов кристаллического строения,
в-третьих наличием остаточного аустенита. Однако, самопроизвольно при
нормальной температуре сталь не может перейти в более устойчивое состояние,
так как для перестройки структуры требуется дополнительная энергия. Распад
неустойчивой структуры возможен лишь при повышении температуры. Такая
перестройка начинается начиная с небольшого нагревания до 1000 и
заканчивается при достижении температурой т. А1 (то есть 7000). Условно
процесс перестройки температуры можно разбить на три стадии:
1. При нагреве до 2000С. В этом интервале температур из М закалки выделяется избыток углерода в виде мельчайших выделений цементита Fe3C. В результат внутреннее напряжение в мартенсите уменьшается, и такой мартенсит называют мартенситом отпуска. Выделение из мартенсита цементита сопровождается уменьшением объема стали.
2. 200-4000С. При этих температурах продолжается превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска при уменьшении объема и одновременно с этим остаточный аустенит, который сохранился в закаленной стали, превращается в мартенсит закалки. Этот процесс идет с увеличением объема стали. Если остаточного аустенита много, то это увеличение объема можно компенсировать. Изменение объема связано с переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска.
3. 400-6000С. При этих температурах мартенсит отпуска распадается на смесь феррита и цементита Мотп ( Ф+Ц. Чем выше температура, тем больше размер образовавшихся зерен феррита и цементита. Кроме того, меняется и форма цементитных включений. В отличии от пластинчатой формы, которая образуется при распаде аустенита в момент перехода его в перлит, при превращении мартенсита в перлит частицы цементита округлые, то есть сферические. В результате такого изменения структуры меняется вязкость стали. Чем мельче частицы цементита и чем они более круглые, тем выше вязкость. Размер округлых включений цементита зависит только от температуры, чем выше температура, тем включений больше, но одновременно с увеличением размера включений уменьшается и твердость и вязкость стали.
Практика термообработки сталей.
При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали
применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и
отпуск.
Отжиг сталей.
Отжиг – это термообработка, направленная на уменьшение прочности и
твердости и повышение пластичности стали. Температура отжига определяется
его назначением и зависит от содержания углерода.
Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей применяют различные виды отжига.
Это объясняется разным назначением сталей.
Отжиг доэвтектоидной стали.
Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и отжиг 2
рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию
(применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от
0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в
ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на
рекристаллизацию.
1. Рекристаллизационный отжиг проходит при температурах 6800С, время отжига
4-12 часов.
2. Отжиг на снятие внутренних напряжений. Этот вид отжига применяется для устранения внутренних напряжений, которые возникают в процессах резки, сварки, шлифования. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата. Продолжительность и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров деталей, химического состава стали (до
6000С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А1, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода.
Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее.
Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:
1. полный отжиг
2. изотермический отжиг
3. нормализация
4. патентирование
1. Полный отжиг
Производится с нагревом стали до температуры, превышающей точку А3 с
последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение
вызывает полное равновесное превращение А(Ф + П. В результате получается
максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и
полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют
значения то после охлаждения с печью до 5000, дальнейшее охлаждение можно
вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры,
вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.
Основной недостаток полного отжига – это его большая продолжительность,
возможная неравномерность зеренного строения в центре и на поверхности
крупногабаритных изделий, вызванная неодинаковой скоростью охлаждения.
2. Изотермический отжиг.
При изотермическом отжиге, заготовки, нагреваются до температуры выше т. А3
быстро охлаждают на 100є С ниже точки А1, затем помещают в печь и при этой
температуре выдерживают до полного превращения А(П.
Так как превращение А(П идет при постоянной температуре и во всем объеме
детали одновременно, такой способ отжига позволяет получить равномерную
структуру по всему объему детали. Такой вид отжига применяется для
крупногабаритных деталей ответственного назначения.
3. Нормализация.
Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе.
Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно,
по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает
увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности.
Особенно это заметно на деталях, содержащих 0,3-0,6%С. Прочность и
твердость таких сталей при нормализации имеет промежуточное значение между
твердостью, полученной после отжига и твердостью, полученной при закалке,
поэтому нормализация таких сталей является основным видом термообработки.
Для малоуглеродистых сталей свойства после отжига и после нормализации
практически совпадают, поэтому для малоуглеродистых сталей отжиг всегда
заменяют на нормализацию. Нормализацию применяют и как окончательный вид
термообработки и как промежуточный, например, между операциями холодной
деформации для снятия наклепа или перед обработкой резанием для уменьшения
твердости.
4. Патентирование.
Это особый вид отжига, который применяется для изготовления высокопрочной
проволоки.
Низкая температура превращения позволяет получить равномерную мелкую
структуру. Такая структура называется троостит. После отжига сталь
подвергают холодной деформации, волочению. В результате мелкой структуры и
наклепа позволяют получить металл прочностью 2000-5000 Мпа.
Отжиг заэвтектоидной стали.
1. Отжиг на сфероинизацию является неполным, поэтому при нагреве полного
растворения цементитных включений не происходит. В процессе охлаждения
оставшиеся включений цементита при распаде аустенита. В результате форма
включений цементита меняется. Из бывшей пластинчатой она превращается в
округлую сферическую. Поэтому такой отжиг называется сфероинизирующим.
Изменение формы включений цементита позволяет повышать вязкость стали;
облегчает процесс обработки резанием. Такая структура стали является
идеальной перед закалкой. Для ускорения процесса сфероинизации иногда
применяют отжиг с циклированием температуры на 20-30є С выше или ниже точки
А1. Такой отжиг называют маятниковым.
При нагреве стали происходит растворение краев цементитных пластин, при
охлаждении же цементит выделяется равномерно по всей поверхности. Поэтому
при таком виде отжиге процессе сфероинизации идет быстрее.
2. Нормализация.
Применяется для заэвтектоидной стали с целью устранения выделений цементита
по границам зерен. Сплошная цементитная сетка крайне нежелательна. Она
образуется при медленном охлаждении с высоких температур. Нагрев сталей до
температур выше точки Аст приводит к растворению цементитной сетки по
границам зерен. При ускоренном охлаждении на воздухе вторичный цементит
выделяется в виде отдельных включений, не образуя сплошной сетки по
границам зерен. В результате вязкость стали восстанавливаются.
Закалка сталей.
Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до
температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения
высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную.
При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при
поверхностной – только поверхность.
В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При
полной закалке сталь нагревают выше точки А3. Полная закалка применяется
для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки А3 сталь
имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет
полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения
не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой
твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не
применяют. Для заэвтектоидной стали применяют только неполную закалку. В
этом случае вторичный цементит, который сохраняется в стали, дополнительно
повышает твердость закаленных сталей. Если же применить полную закалку, то
вторичный цементит растворяется в аустените. Это сопровождается резким
увеличением зерна. После охлаждения в такой стали будет большое количество
остаточного аустенита. Это дополнительно уменьшит твердость стали, поэтому
для заэвтектоидной стали полная закалка никогда не применяется. Выдержка
при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и
фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать
роста аустенитного зерна. Обычно ориентировочно выдержку детали принимают
из расчета 1 минуту на 1 миллиметр толщины для нагрева и + 1 минута на 1
миллиметр толщины для выравнивания температуры по сечению и прохождения
всех структурах и фазовых превращений. Охлаждение при закалке должно быть
резким, для того, чтобы не допустить образования перлита, но в то же время
– максимально медленным, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений,
образующихся в деталях при резком охлаждении. Внутренние напряжения должны
быть термические и структурные. Термические возникают из-за неодинаковой
скорости охлаждения поверхности и центров массивных деталей, а также при
неодинаковой скорости охлаждения тонких и толстых сечений детали.
Структурные напряжения возникают из-за объемного эффекта (v ^) при
переходе А> М. В зависимости от содержания углерода этот объемных эффект
достигает 5-6%. Уровень внутренних напряжений может быть настолько велик,
что в результате происходит искажение формы детали или ее растрескивание.
Охлаждение при закалке может вестись в предельных средах (вода, масло
минеральное, водо-воздушные смеси). От скорости охлаждения зависит
структура, которая в стали после закалки. Если скорость недостаточная, то
получает перлитная структура. Они отличаются друг от друга различным
размером частиц перлита и цементита. Если скорость охлаждения при закалке
достаточно велика, для того, чтобы не образовался перлит, но слишком мала
для образования мартенсита в сталях, появится промежуточная структура –
бейнит. Внешне она имеет игольчатую структуру как мартенсит, но сами иглы
представляют собой феррит, внутри которого выделяется мельчайшие частицы
цемента. Если скорость охлаждается стали превышает критическую скорость, то
образуется в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной
стали. Наиболее эффективное охлаждение обеспечивает вода, но её недостаток
– слишком быстрое охлаждение в интервале мартенситного превращения. В
результате возникают большие внутренние напряжения. Минеральное масло
наоборот дает малую скорость охлаждения в области мартенситного
превращения, но не достаточно быструю в области перлитного превращения.
Способы закалки.
Для того, чтобы обеспечить закалку сталей на мартенсит необходимо быстро
охлаждать её в области перлитного превращения. Но если с такой же скоростью
охлаждать её и дальше в области мартенситного превращения, то в детали
возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить
охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее, но
среды с переменной скоростью охлаждения не существует и поэтому для разных
деталей применяют различные способы охлаждения, чтобы получить закаленное
состояние с минимум уровнем внутренних напряжений.
1. Охлаждение в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие
внутренние напряжения. Чтобы их уменьшить применяют второй способ закалки.
2. Закалка в двух средах (из воды в масло). По этому способу в начале
деталь охлаждают в воде, до температуры ниже перлитного превращения, а
затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ
сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется
выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка
будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение,
и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают
большие внутренние напряжения.
3. Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке нагретую деталь охлаждают
быстро до заданной температуре в специально горячей среде, в качестве
которой используются расплавы металлов или солей. Время выдержки в горячей
среде определяются маркой стали и может быть четко определено по
секундомеру, после этого идет окончание охлаждение в воде или масле.
Выдержка в горячей среде позволяет выровнять температуру по всему сечению
деталей, поэтому при окончательном охлаждении в воде, или масле превращение
аустенита в мартенсит идет одновременно по всему объему детали, что
позволяет резко снизить уровень внутренних напряжений. Такой способ закалки
применяют для крупногабаритных деталей сложной формы, чтобы до минимума
снизить искажение формы.
4. Изотермическая закалка. Этот способ применяется для крупногабаритных
деталей, которые нельзя охлаждать очень быстро, из-за опасности разрушения.
При изотермической закалке нагретые детали помещают в горячую среду,
нагретую до заданной температурой 350-400 градусов, в которой выдерживают
до полного прохождения превращения аустенита в троостит или бейнит. После
полного превращения деталь обычно охлаждается на воздухе. Дополнительного
отпуска после такой закалке не требуется. Температура окружающей среды
выбирается термообработкой, чтобы получить в детали структуру,
обеспечивающую заданную твердость.
5. Закалка с обработкой холодом. При закалке высокоуглеродистых сталей,
содержащих никель, молибден, вольфрам даже после полного охлаждения до
нормальной температуры превращение аустенита в мартенсит проходит не
полностью. Остаточный аустенит имеет невысокую твердость и поэтому
твердость детали после закалки будет недостаточной. Для устранения
остаточного аустенита закаленные детали дополнительно охлаждают в области
отрицательных температур 70-80 градусов, парами углекислоты или жидкого
азота. Дополнительное охлаждение вызывает переход остаточного аустенита в
мартенсит и твердость закаленной стали повышается.
6. Закалка с самоотпуском. Этот способ закалки применятся для деталей,
которые должны иметь различную твердость в различных местах. Чтобы получить
переменную твердость, нагретую деталь помещают в охлажденную среду только
рабочей поверхностью, оставляя хвостовик над поверхностью охлаждающей
среды. После полного охлаждения поверхности деталь извлекают из охлаждающей
среды и за счет тепла, сохранившегося в хвостовой части, происходит
разогрев рабочей поверхности и ее отпуск. Температуру разогрева поверхности
контролируют по цветам побежалости.
Поверхностная закалка.
Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть поверхность и
вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев
проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразу
проводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только
поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов
поверхностей закалки:
1. Закалка погружением – разогрев поверхности ведется за счет
кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали
охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем
выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого
закаленного слоя.
2. Газопламенная закалка. Разогрев поверхности детали проводится за счет
нагрева пламенем газовой горелки. Достоинство способа в его
универсальности, недостаток – высокая температура пламени вызывает перегрев
поверхности и как следствие - крупное зерно, выгорание углерода, легирующих
элементов, резкий температурой градиент, возможно отслаивание закаленного
слоя.
3. Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционная закалка). Разогрев
детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь
помещается внутрь индуктора, подключенного к истокам токов высокой частоты.
Достоинство способа – высокая производительность недостаток – потребность в
сложном оборудовании, для каждой детали необходим свой индуктор, наличие
вредных электромагнитных полей.
4. Закалка с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки
разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё
высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько
велика, что поверхность в течении нескольких долей секунд может быть
нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за
счет теплоотвода вглубь детали. Дополнительное охлаждение водой не
требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как
отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно
закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную
поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её
лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон
до десятков и сотен микрон.
Отпуск стали.
Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью
структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом
растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также
внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная
сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим
имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать
быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры
закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени
самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних
нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая
ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного
инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной
термообработке – отпуску.
Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск 150-220 градусов
Средний отпуск 350-450 градусов
Высокий отпуск 550-650 градусов
Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую
твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в
мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки
отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка
углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска
такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).
Средний отпуск проводится для деталей, в которых требуется максимальный
предел упругости. При температурах среднего отпуска происходит распад
остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит.
Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл
которого расположены выделившиеся из твердого раствора мелкие карбиды.
Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом
упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих
деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.
Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание
высокой ударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин,
работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется
сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством
точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему
стали. Твердость 20 –25 НRС.
Сочетание полной закалки и высокого отпуска называется термическим
улучшением стали. Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие
0,3 = 0,6 %С. Поэтому такие стали часто называют улучшаемыми.
Выбор того или иного вида отпуска зависит от назначения детали. Если
деталь должна обладать максимальной твердостью и износостойкостью, то
соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой
детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место
по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку
с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при
изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей
после горячей деформации возникает эффект увеличения твердости за счет
получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с
трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её
подвергают высокому отпуску при температуре 600-700є С с медленным
охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая
легирующие элементы.
Отпускная хрупкость.
Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в
определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2
вида:
1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350є С – это
отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.
2. Наблюдается в интервале температур 500-600є С. Это отпускная хрупкость
II рода или обратимая.
Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от
0,3-0,6%С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350є
С. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это
вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали.
Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему
детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение
вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной
хрупкости I рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость
восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале
250-350є С отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная
хрупкость называется необратимой.
Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей
легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость
только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если
детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не
проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её
устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро
охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно
охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется
обратимой.
Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей,
особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной
хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных
примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или
вольфрам.
Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним
отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом
вязкости.
Прокаливаемость сталей.
Под прокаливаемостью понимают способность сталей закаливаться на
максимальную глубину.
Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется
максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости
возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение
размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку,
уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности.
Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих
элементов. Большинство из них сдвигают с-образные кривые вправо.
Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие
элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости
охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а
также Ni, Mo, Mn. В большинстве случаев при проектировании детали
конструктор должен знать величину критического диаметра для данной марки
стали. Критический диаметр – это максимально возможный диаметр для данной
марки стали, закаливающейся в данном охладителе насквозь. Самый простой
метод определения критического диаметра – способ пробной закалки. Для этого
от прутка отрезают кусок, нагревают, закаливают и измеряют твердость по
диаметру. Если твердость меняется мало, то деталь прокаливается насквозь.
Наиболее часто для определения критического диаметра применяется способ
торцевой закалки. Для этого из исследуемой стали изготовляют цилиндрический
образец с длиной цилиндра 100 мм и диаметром 25.
Образец нагревается в печи, а затем охлаждается струей воды, направленной в
торец. После полного охлаждения производится замер твердости, начиная от
торца до тех пор, пока твердость не перестанет изменяться. Границу
закаленной зоны определяют по величине закаливаемости стали. Закаливаемость
– это способность стали закаливаться на максимальную твердость.
Закаливаемость зависит прежде всего от содержания углерода. Чем больше
углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. А также от
содержания карбидообразующих легирующих элементов.
Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре
становится менее 50% мартенсита.
Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода.
Таким образом, зная содержание углерода в данной стали, по специальному
экспериментальному построенному графику определяется твердость
полумартенситной зоны. После этого на экспериментально полученном графике
изменение твердости от торца получаем величину а. После этого по
специальной номограмме Блантера определяется критический диаметр для данной
марки стали. Для этого величину а откладываем на верхней масштабной
линейке, и отпускаем линию вниз до пересечения с линией соответствий
индивидуальной скорости охлаждения. От точки пересечения откладываем
горизонталь до используемой охлаждающей среды: вода, масло или воздух.
Найдя точку пересечения опускаем вниз на шкалу критических диаметров.
Химико-термическая обработка (ХТО).
ХТО – это сочетание воздействий на деталь химической среды и теплового
воздействия с целью изменения химического состава и свойств поверхности
детали.
ХТО делится на:
1. ХТО с насыщением не металлами (C, N, Si, B).
2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn).
3. Многокомпонентная ХТО.
Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:
1) Создание активных атомов.
2) Перенос активных атомов к поверхности детали и взаимодействие их с поверхностью.
3) Диффузия активных атомов в глубь металлов.
Все эти 3 стадии процесса идут последовательно и поэтому общая скорость
ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.
Обычно наименьшая скорость – это скорость диффузии в металле. Для
ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем
быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности
детали. Технологический процесс насыщения поверхности детали может
происходить по-разному:
1) способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самоуниверсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и потребность в большом количестве порошка;
2) насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.
3) Насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.
4) Насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.
5) Насыщение вакуумом. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.
Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит
от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является
основным компонентом в данной детали.
Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при
ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры.
Если нам известна необходимая толщина насыщенного легирующим элементом
поверхностного слоя, то процессы ХТО ведут до тех пор пока на границе
этого слоя не будет достигнута необходимая концентрация этого элемента.
[pic]
Глубина насыщенного слоя определяется коэффициентом диффузии Д, t – время.
Глубина диффузного слоя в значительной степени зависит от коэффициента
диффузии легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии
определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше
температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение.
Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем, но для
того, чтобы увеличить толщину слоя в 2 раза необходимо увеличить время
обработки (насыщения) в 4 раза. Если взаимодействие легирующего элемента с
основным компонентом носит более сложный характер, то структура слоя будет
более сложная и будет соответственно отражать фазовый состав, наблюдается
на диаграмме состояния, которая образуется при взаимодействии основного
компонента с насыщающим элементом.
Если взаимодействие образуется в несколько фаз (твердых растворов или
химических соединений), то все эти фазы будут образовываться в
поверхностном слое в порядке убывания концентраций. Каждый из слоев будет
соответствовать отдельной фазе [pic]. Причем изменение концентрации в этом
слое будет соответствовать изменению концентрации на диаграмме состояния
при этой температуре. Двухфазные слои могут образовываться при ХТО только
в тех случаях, когда во время охлаждения одна из фаз в результате какой-
либо реакции распадается на смесь нескольких фаз.
Изменение структуры поверхности при ХТО составляет направленную диффузию
легирующего элемента. В начале на поверхности образуется зародыши новых
фаз, затем они растут в глубь детали, создавая на поверхности характерную
столбчатую структуру.
В нескольких случаях после ХТО проводят дополнительную обработку,
включая в себя закалку отпуск для того, чтобы получить необходимую
структуру на поверхности нужные свойства.
Насыщение металлов неметаллами.
Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В
зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:
1. Цементация – насыщение углеродом.
2. Азотирование – насыщение азотом.
3. Сульфатирование – насыщение серой.
4. Силицирование – насыщение кремнием.
5. Борирование – насыщение бором.
Возможно также многокомпонентное насыщение.
Насыщение С и N – нитроцементация
N-S – сульфоазатирование.
1. Цементация стали
Цементация вызывает процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с
целью повышения твердости и износостойкости. Цементацию применяют для
деталей, в которых твердость поверхности должна сочетаться с вязкой
сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают
стали, в которых содержание углерода не превышает 0,1-0,25% С.
Цементацию насыщением С проводят либо из твердой среды, либо в специальных
газовых печах, куда вводятся предельные углеводороды, содержащие большое
количество С, твердая среда состоит из угля С = 80%, углекислой соли Ca
Co3. Для активного прохождения насыщенности углеродом необходимо обеспечить
перенос С от твердого карбюратора на поверхность детали. Этот перенос
осуществляется за счет существования газовой фазы, содержащей окись
углерода СО. В печах зацементация происходит за счет насыщения безгазовой
фазы, доставка С на поверхности детали осуществляется при распаде
предельных углеводородов. Процесс цементации ведется при высоких
температурах порядка 900 – 9500С. Такая температура необходима для
перехода структуры в аустенитное состояние.
Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить
аустенитную структуру и чтобы не вызвать рост зерна. Продолжительность
процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и
определяется исходя из скорости насыщения 0,1 мм/час. Общая
продолжительность 8-10 часов. После окончания процесса цементации деталь
охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.
Если деталь содержит 0,1-0,25 % С, то исходящая структура была Ф+П.
После цементации структура поверхностного слоя соответствует изменением
структуры на диаграмме Fe-C. При этом на поверхности детали возникает
неблагоприятная структура, в виде сплошной сетки вторичного цементита по
границе зерен.
Несмотря на самую высокую твердость цементитная сетка сильно охрупчивает
металл и может вызвать выкрашивание поверхности.
Для исправления структуры и получения нужных свойств детали после
цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке.
Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующий низкий
отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации
применяют одну закалку. Нагревают до 880-9000С и охлаждают в масле. Закалка
с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В
результате вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам
образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с
такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому
вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре 160-180є С позволяет
уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.
Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам применяют
сложную ТО, которая состоит из трех операций.
1. Высокотемпературная закалка
860-880є С, которая для крупногабаритных деталей может быть заменена на
нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение
цементитной сетки.
2. Закалка 760-780є С (обязательная). Повторная закалка позволяет
измельчить зерно в стали и соответственно повысить её вязкость.
3. Низкий отпуск (1-2 часа). Цель – снятие закалочных напряжений.
Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную
структуру в мартенситную. Это обеспечивает увеличение прочности и
твердости поверхности.
Окончательные свойства детали получаются после цементации при
термообработке, поверхность будет иметь 700-750 НВ (кг/мм2), (58-62 НRО),
середина свои свойства не изменяет: 180-200 НВ, (120-140 НRв).
Азотирование.
Это насыщение поверхности детали азотом.
Азотирование проводят в специальных газовых печах, куда помещают детали, а
затем подается диссоциированный аммиак, т.е. проходит распад аммиака.
Диссоциация аммиака проходит в специальных автоклапанах в присутствии
катализатора. Это нужно для того, чтобы в печь поступали атомы азота.
Температура азотирование 520-550є С, т.е. она не высокая, так как
растворимость азота в феррите вполне достаточная. Поэтому азотирование
можно проводить после окончаний термообработки, например, после закалки и
высокого отпуска. Это позволяет подвергать азотированию уже готовые детали,
прошедшие обработку резанием, шлифованием, т.е. не требуется оставлять
припуски на окончательную обработку как при цементации.
Низкая температура азотирования не позволяет получить глубокого насыщения
поверхностей. Поэтому обычная толщина азотированного слоя 0,3 – 0,5 мм, а
продолжительность процесса в 2-3 раза превышает продолжительность
цементации.
Для повышения эффекта износостойкости стали подвергаемые азотированию
обычно содержат Cr,Al, Mo. Эти элементы, взаимодействуя с азотом, образуют
собственные ингредиенты, которые дополнительно повышают твердость и
износостойкость поверхности.
38Х2МЮА – нитролоид.
По сравнению с цементацией азотирование имеет преимущество и недостатки.
Преимущества: 1) Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков. 2) Более высокая твердость и износостойкость. 3) Более высокая устойчивая прочность деталей. 4) Более высокая коррозионная стойкость. 5) Более высокая рабочая температура 400-450є С.
Недостатки:
1) Более тонкий слой.
2) Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность меньше.
Нитроцементация.
Это ХТО, при которой деталь насыщается одновременно углеродом и
азотом. Она направлена на получение свойств, включающих достоинства и
цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из
газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс
идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс
называют цианированием.
Процесс нитроцементации проходит по температуре, лежащей ниже
температуры цементации, но выше температуры азотирования (830-880є С). Чем
выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и,
соответственно, результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже
температура, тем больше насыщение N и свойства детали ближе к
азотированию.
Совместное насыщение N и С позволяет сократить продолжительность
процесса, а более низкие температуры не позволяют усваиваться зерну,
поэтому сталь сохраняет своё вязкое состояние. Применение нитроцементации
более прогрессивно, чем чистая цементация. После нитроцементации деталь
подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится
сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева.
Сульфатирование
После сульфоазотирования детали легче прирабатываются друг к другу,
снижаются потери энергии, затрачиваемой на вращение детали.
Сульфаазотирование чаще проводят из газовой фазы, реже из порошковой
засыпки. Глубина насыщенного слоя 0,1-0,2 мм.
Силицирование.
Применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Внедрение Si
в поверхность позволяет повысить жаростойкость, т.е. сопротивление
поверхности окислению при высоких температурах. После силицирования
поверхности образуется окислы кремния, либо двойные окислы Fe Si2 O4 -
шпилеты.
Температура процесса 1100-1200є С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но
продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве
газовой фазы используют SiH4 – моносилан.
Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот
процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности
образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3.
FeAl2O4. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.
Борирование.
Применяют для инструмента горячего деформированного металла. При
насыщение стальных деталей бором на поверхности образуются бориды: FeB,
Ke2B, Fe4B, которые увеличивают твердость и жаростойкость при температуре
800-1000є С, твердость до 700є С не изменяется совсем. Борирование
проводится из порошковых засыпок при температурах 1000-1100є С. Глубина
слоя после борирования до 80-200 мкм, но стойкость высокая.
Недостаток – хрупкость поверхности. При ударном воздействии возможно
образование микротрещин и скалывание повторного слоя.
Насыщение металлов металлами (диффузионная металлизация).
При насыщении поверхности детали металлами происходит образование твердых
ресурсов по типу замещения, т.е. атомы основного компонента замещаются в
кристаллической решетке атомами легирующего элемента. Процесс диффузии по
типу замещения идет гораздо медленнее, чем по механизму внедрения. Поэтому
процесс диффузионной металлизации требует более высоких температур и
длительных выдержек. Наиболее часто применяют насыщение поверхности Al,
Cr, Ti, Zn.
Аллитирование.
Применяют для стальных и никелевых деталей с целью повышения жаростойкости
поверхности, образуются Al2O3. Аллитирование можно проводить двумя
способами:
1) Аллитирование из порошковой смеси
В этом случае берут порошок FeAl. Нагревают до температуры 1050-1150є С и
выдерживают от двух до двадцати часов. Хлор взаимодействует с Al (ALCL3) и
за счет образования этого хлористого Al происходит перенос Аl на
поверхность из порошка.
2) Погружение детали в расплав Аl, выдержка в ванне и затем нагрев до рабочей температуры аллитирования.
Хлорирование.
Хлорирование применяют с разными целями:
1) Для малоуглеродистых сталей с содержанием С 0,41% - средне или высоко углеродная сталь. В этом случае хромирование применяют для повышения твердости и износостойкости поверхности.
Увеличение твердости происходит за счет образования в сталях карбидов
хрома, которые и повышают служебные свойства деталей: Сч23С6.
В отличие от гальваники, ХТО называют твердым хромированием.
Берут порошок FeСr, добавляют Al2O3 и NH4Cl. При хромировании можно
получить толщину до 0,2 мм. Мягкое хромирование используется для повышения
коррозионной стойкости труб, фланцев.
Титанирование.
Насыщение Ti повышает коррозионную стойкость и повышает кавитационную
стойкость.
Насыщение Ti проводят из порошковых смесей FeTi.
Цинкование.
Защищает от коррозии. Насыщение Zn проводят погружением детали в расплав.
Температура расплавленного цинка в ванной 350-550є С. Время пребывания в
расплавленной ванне 1-10 минут. Толщина цинкового покрытия 10-30 микрон.
Термомеханическая обработка
(ТМО).
Это сочетание пластической деформации и термообработки, при чем наклеп,
возникший при деформации влияет на фазовые превращения при термообработке.
Различают ТМО стали и стареющих сплавов.
ТМО Сталей.
Применяют 2 вида ТМО: ВТМО и НТМО.
При ВТМО сталь нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают в
область высокотемпературной устойчивости аустенита, проводят горячую
диффузию, затем сразу делают закалку и после неё низкий отпуск. Во время
горячей деформации аустенита образующийся наклеп частично снимается за счет
процессов динамической полигонизации.
Степень диффузии выбирается такой, чтобы не допустить полного снятия
наклепа за счет динамической рекристаллизации, т. е. после горячей
деформации образуется полигонизованная структура аустенита с большим
количеством малоугловых границ.
При закалке образуется мелкоигольчатая структура мартенсита, которая
сохраняет повышенную плотность дефектов кристаллического строения
аустенита. В результате после ВТМО удается повысить прочность стали на 20-
30 % с сохранением вязкости по сравнению с обычной закалкой.
При НТМО горячая деформация проводится в области низкотемпературной
устойчивости аустенита, т. к. температура диффузии невысокая, то
практически весь наклеп сохраняется и наследуется в сталях после закалки.
НТМО позволяет резко увеличить дефективность кристаллической решетки и за
счет этого повысить прочность почти в 2 раза. Однако при этом снижается
пластичность и вязкость приблизительно на 15- 20 %. Проведение горячей
деформации при низкой температуре, требует очень мощного оборудования.
Поэтому НТМО чаще применяют при прокатке листов, профилей или труб.
Для того, чтобы проводить ТМО необходимо иметь достаточный интервал
устойчивости аустенита. Поэтому ТМО проводят, как правило, для легированных
сталей. Легированные элементы смещают вправо с-образные кривые, увеличивая
тем самым область устойчивости аустенита.
ТМО стареющих сплавов.
Для стареющих сплавов можно применить НТМО, ВТМО, ВНТМО и ПТМО.
[pic]1. НТМО - низкотемпературная термообработка применяется чаще
всего(80%). При НТМО вначале проводится закалка, затем холодная
пластическая деформация и последующие старение. При холодной деформации
закаленного сплава возникает наклеп, т.е. повышается плотность дефектов
кристаллического строения. При последующем старения распад пересыщенного
твердого раствора начинается зарождением и появлением упрочняющих фаз на
дефектах кристаллического строения, т.е. происходит блокирование
дислокаций интерметаллидными фазами и для их смещения требуется
дополнительное усилие. Следовательно, прочность сплава увеличивается.
2. ВТМО – при ВТМО горячая деформация совмещается с нагревом под закалку,
однако степень диффузии должна быть такой, чтобы не вызвать снятия наклепа,
за счет прохождения динамичной рекристаллизации.
После диффузии в сплаве образуется полигонизованная структура, которая
сохраняется и после диффузии и после последующего старения. При ВТМО эффект
увеличения прочности достигает 10- 15 % при сохранении вязкости. ВТМО
возможна только в тех случаях, когда температура нагрева под горячую
деформацию и под закалку совпадают.
3. ВНТМО: сочетание ВТМО и НТМО.
4. ПТМО - предварительная ТМО. При ПТМО деформация (горячая или
холодная) проводятся до закалки, поэтому основная задача закалки – это
провидение нагрева и охлаждения так быстро, чтобы, не допустить снятия
наклепа, т. к. сделать это очень трудно, то ПТМО применяется очень редко.
Легированные и специальные стали.
Легированными или специальными называют такие стали, которые в своем
составе кроме углерода содержат еще дополнительные добавки, введенные в
состав с целью направленного изменения ее свойств. Такие добавки называются
легирующими элементами (добавками). Основное отличие легирующих элементов
от примесей заключается в том, что их количество определяется необходимой
мерой изменения свойств стали, в то время как для примесей количество
определяет допустимую меру ухудшения свойств. Одни и те же элементы могут
играть роль примесей или роль легирующих элементов, но примеси попадают в
сталь случайно или с шихтой, в то время как легирующие элементы вводятся
специально. К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si,
Al. Количество вводимых легирующих элементов может изменяться от долей
процента до десятков процентов. Влияние легирующих элементов проявляется в
изменении структуры и, соответственно, свойств стали.
Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях.
Большинство легирующих элементов, при введении их в сталь, изменяют
температуру начала и конца полиморфных превращений.
1. Первая группа легирующих элементов отличается тем, что понижает точку А3
и повышает точку А4. В группу входят Ni, Mn, Pt. Введение легирующих
элементов, которые понижает точку А3 и одновременно повышает точку А4,
расширяя область существования аустенита, называют аустенизаторами. При
содержании легирующих элементов больше Скр, структура будет аустенитная,
без полиморфных превращений.
2. Вторая группа легирующих элементов отличается тем, что повышает точку А3
и понижает точку А4. В группу входят Si, Ti, V, Mo. Введение легирующих
элементов повышает точку А3 и одновременно понижает точку А4. В этом случае
происходит замыкание области существования аустенита и, при содержании
легирующих элементов больше СКР, полиморфных превращений в стали не будет.
Такие легирующие элементы, которые стабилизируют Феррит, называются
ферритизаторами.
Если в сталь вводят легирующие элементы с различным влиянием на
полиморфные превращения, то окончательная структура стали может быть
различной, в зависимости от соотношения легирующих элементов и
температурного воздействия, т.е. сталь может быть с ферритной, феррит +
аустенит, аустенитной структурой.
Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.
По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:
1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом.
Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо
образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, K, S.
Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен,
ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства
падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).
2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых
растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с
этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых
растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения
образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения
образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых
растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает
пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность,
пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это
Ni.
3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами
химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr,
FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но
одновременно снижает вязкость и пластичность.
По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:
Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo. К не карбидообразующим
относят Ni, Al, Cu, Si, Mn. Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их
появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с
одновременным снижением вязкости и пластичности. Легирующие элементы влияют
на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C.
Введение карбидообразующих элементов повышает точки А1 и А3, т.к. карбиды
легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более
высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих
элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур
отжига и закалки. Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки
S и E на диаграмме Fe-C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем
меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может
приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут
наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых
сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.
Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.
Введение легирующих элементов изменяет положение С – образных кривых на
диаграмме изотермического превращения аустенита.
Практически все легирующие элементы смещают С – образные кривые вправо, а
точки Mn и Mk вниз. И только один элемент является исключением, действует
наоборот – это Co. Из-за смещения С – образных кривых вправо, изменяется
критическая скорость охлаждения при закалке.
При содержании легирующих элементов более 15-20%, интервал перлитного
превращения смещается вправо настолько, что при охлаждении на воздухе
превращение не наступает вовсе. Начало и конец мартенситного превращения
смещается в область отрицательных температур. В результате Аустенитная
структура стали сохраняется при любых температурах. Такую сталь называют
сталью Аустенитного класса.
Наличие легирующих элементов в стали делает более устойчивым закаленное
состояние, т.е. мартенсит сохраняется при нагревании в процессе отпуска до
более высоких температур. Так, если в обычной углеродистой стали мартенсит
превращается в троостит уже при нагревании до 250є С, то в легированных
сталях мартенсит может сохраняться до температур 450-550є С. Это позволяет
использовать такую сталь при работе, например, с более высокими скоростями
резания, или в качестве инструмента для горячей штамповки.
Изменение твердости легированной стали при отпуске.
Сохранение твердости легированной стали до более высокой температуры
отпуска объясняется повышенной устойчивостью мартенсита, а также выделением
из него при отпуске огромного количества мельчайших карбидов легирующих
элементов: Cr, W, Ti. Этот эффект называется дисперсионным или вторичным
твердением.
Маркировка легированной стали.
Для маркировки легированной стали принята буквенно-цифровая форма, в
которой каждому легирующему элементу присвоена своя буква, а цифра, которая
следует за этой буквой показывает среднее содержание этого элемента в
процентах. Если содержание элемента близко к единице, то никакой цифры не
ставится.
Условно любую марку модно представить как четыре отдельные части.
1. Она может быть или не быть, обычно это буквы. Первая часть показывает
на назначение стали: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – режущая
(быстрорежущая).
2. Здесь всегда находятся цифры, показывающие содержание в стали углерода.
10, 20, 40 – в сотых долях процента (любая сталь, кроме инструментальной).
Если стоит одна цифра 2-9, то это содержание углерода в десятых долях
процента. Если нет цифры, то содержание примерно 1%.
3. Обозначение легирующих элементов и их количество.
А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д –
медь (Cu),
Е – селен Se), К – кобальт (Co), М – молибден (Mo), Н – никель (Ni), П –
фосфор
( P), Р – бор (B), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Х – хром (Cr), Ф
– ванадий (V).
Если цифры нет, то содержание легирующих элементов 1%. Любая цифра равна
числу процентов. Исключения В – 0,003%, N – 0,02-0,05%, Se – 0,3%. Иногда в
маркировке появляется цифра 1: 15Х1МФ – содержание Cr больше 1%, но меньше
2%.
4. Буквенная часть. Буквы в конце марки показывают качество стали или
метод ее очистки:
А – более высокое качество, т.е. пониженное содержание вредных примесей
(30ХГСА)
Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком.
СШ – синтетическим шлаком.
ВД – вакуумно-дуговой переплав.
Исключения (маркировка для служебного пользования).
1. Шарикоподшипниковые стали: ШХ6, ШХ9, ШХ15. Цифра показывает содержание
хрома не в целых, а в десятых долях процента.
2. Режущие стали: Р9, Р18, Р6М5. Цифра после буквы Р показывает содержание
не углерода, а вольфрама в целых процентах. Углерода в таких сталях
одинаковое количество – 1,2%.
3. Марки для служебного пользования. Эти марки не расшифровывают
химический состав, а показывают на завод-изготовитель (Э – электросталь, Д
– днепроспецсталь). Вторая буква может быть или не быть: И –
исследовательская, П – пробная.
Классификация легированной стали.
Одной общепринятой классификации легированной стали, в настоящий момент, не
существует, и поэтому принято разделять легированные стали по нескольким
признакам:
1. Классификация по структуре в равновесном состоянии (после медленного охлаждения). Разделяют на 4 группы:
1). Равновесное состояние
Доэвтектоидная
Эвтектоидная
Заэвтектоидная
Ледебуритная (карбидная)
2). По структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).
2. Классификация по качеству (по содержанию вредных примесей)
1. Обыкновенного качества (S – 0,03%, Р – 0,04%)
2. Качественная сталь (S – 0,025%)
3. Высококачественная сталь (S – 0,015%)
4. Особо высококачественная сталь
Качество влияет на прочность, стойкость против разрушения.
3. Классификация по содержанию легирующих элементов.
Малолегированная сталь – до 2,5% легирующих элементов.
Среднелегированная сталь – 2,5-10% легирующих элементов.
Высоколегированная сталь – более 10% легирующих
элементов.
Если содержание железа не менее 45%, то – это сталь. Если меньше, то –сплав.
4. Классификация по назначению
Конструкционные стали: детали машин, конструкции, узлы,
механизмы.
Инструментальные стали
Стали и сплавы со специальными свойствами.
Конструкционные стали.
Понятие о конструкционной прочности
Под конструкционной прочностью понимают способность всей конструкции
длительное время надежно работать в различных условиях эксплуатации без
катастрофических разрушений. Конструкционная прочность – это интегральная
характеристика, объединяющая в себе несколько групп факторов.
1. Металлургические факторы (природа материала). Сюда относят химический
состав, микроструктуру, кристаллическую решетку, наличие дефектов,
полиморфных превращений и т.д.
2. Конструктивно-силовые факторы. Сюда относят конструкцию, напряженно-
силовое состояние, масштабный фактор, фактор формы и т.д.
3. Внешние факторы. Сюда относят наличие агрессивных сред,
электромагнитных полей, абразивного износа, температуру.
Для того, чтобы успешно противостоять всем разрушающим факторам при выборе
материала для той или иной детали, необходимо учитывать целый ряд
параметров.
Выбор стали для деталей конструкционного назначения.
1. Прочность.
Первой характеристикой, по которой осуществляют выбор стали для той или
иной детали, является прочность. Однако прочность конструкции
рассчитывается иногда не из предела прочности ?В, а исходя из предела
текучести ?0,2, т.к. величина 0,2 – это ?=0,2%, т.е. максимально допустимая
деформация. Если деформация будет больше, то искажение формы детали
приведет к отказу механизма в результате заклинивания или разрушения.
Поэтому при выборе стали под ту или иную деталь прочность оценивается по
пределу текучести.
2. Критический диаметр.
Большинство конструкционных деталей при изготовлении подвергается
упрочняющей термообработке, при этом свойства стали после термообработки в
значительной мере зависят от того, прокалилась ли деталь насквозь или нет.
Если деталь массивная и не содержит легирующих элементов, то после закалки
сердцевина останется незакаленной. Такие детали будут плохо работать на
растяжение, и особенно плохо будут противостоять знакопеременным нагрузкам,
т.е. сопротивляться усталости. Поэтому для деталей, работающих на удар или
на усталость, всегда ставятся требования сквозной прокаливаемости.
Прокаливаемость стали оценивается по критическому диаметру. Критический
диаметр – максимальный диаметр, который может закалиться насквозь в
заданном охладителе. Таким образом, при выборе марки стали максимальный
размер детали в сечении должен быть меньше или равен критическому диаметру.
Для удобства выбора той или иной марки стали для деталей различного
размера, применяются специальные таблицы, в которых все стали расставлены
исходя из двух параметров – предела текучести после термического улучшения
и критического диаметра.
Табл.
3. Хладноломкость.
4. Ударная вязкость. Если детали предназначены для работы при отрицательных
температурах, а так же условиях ударного нагружения, т.е. динамических
нагрузок, то следующими параметрами, по которым проводится дальнейший выбор
стали, являются температура полухрупкости Т50, а так же ударная вязкость аn
или вязкость разрушения К1С. Температура полухрупкости показывает
температуру, при которой 50% излома носит вязкий характер, 50% - хрупкий.
То есть это границы хладноломкости детали. Зная рабочую температуру, всегда
нужно выбирать такую сталь, чтобы граница хладноломкости была на 20-40є С
ниже рабочей. Для снижения хладноломкости вводят Ni, Mo. Вязкость стали
зависит от размеров зерна: чем мельче зерно, тем выше вязкость. Для
повышения вязкости вводят Ni, Mo, Mn, W.
5. Дополнительные факторы. Если по условиям работы детали подвергаются
дополнительным видам износа (абразивный износ поверхности, окисление
поверхности в агрессивных средах, воздействие повышенных температур), то
кроме типовых факторов при выборе марки стали учитываются и дополнительные,
и подбираются соответствующие меры для противодействия разрушающим факторам
(поверхностная закалка, ХТО, поверхностный наклеп, обдувка дробью, песком).
Низкоуглеродистые цементуемые стали.
Эта группа сталей предназначена для изготовления деталей, обладающих
повышенной твердостью, прочностью, износостойкостью поверхности и
одновременно вязкой сердцевиной. Количество углерода в этих сталях 0,1-
0,25%. Введение дополнительных легирующих элементов необходимо, прежде
всего, для повышения прочности сердцевины. Слой цементации 0,6-1,2 мм,
температура цементации 950-980є С, выдержка, исходя из скорости цементации, 0,1мм/час. При массовом производстве цементацию проводят в газовых печах,
при штучном или мелкосерийном производстве – в твердой среде (засыпают
углем). Если цементация проводится в газовой печи, то закалка производится
непосредственно при выходе из печи, т.е. без дополнительного нагрева. После
цементации все детали подвергаются упрочняющей термообработке, для
ответственных деталей – двойная закалка (первая закалка – 850-870є С,
вторая закалка – 760-780є С) + низкий отпуск (180-200є С), для
неответственных деталей – одна закалка с цементационным нагревом (930-950є
С) + низкий отпуск (180-200є С). Иногда вместо первой закалки применяют
нормализацию (измельчение зерна, устранение цементитной сетки).
Цементируемая сталь содержит Cr, W, Ti – карбидообразующие, Ni, Si, Cu – не
карбидообразующие. Карбидообразующие элементы повышают твердость
поверхности.
1. Стали с не упрочняемой сердцевиной – ст.10, 15, 20 (простые
углеродистые).
2. Стали со слабо упрочняемой сердцевиной – ст. 15Х, 15ХР, 15ХГР.
3. Стали с сильно упрочняемой сердцевиной – ст. 12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХНВА,
18ХГТ, 25ХГТ.
Среднеуглеродистые цементуемые стали.
Детали ответственного назначения работают, как правило, в условиях
знакопеременных, ударных нагрузок и поэтому требуют применения сталей,
сочетающих такие характеристики как высокая прочность, вязкость, а так же
сопротивление усталостному разрушению. Такие характеристики можно получить
в среднеуглеродистой стали, т.е. содержащей 0,25-0,55% углерода.
1. Если к такой стали применить полную закалку и низкий отпуск, то можно
получить очень высокий предел прочности, но при этом очень маленький запас
вязкости. Поэтому чаще всего после закалки такую сталь подвергают высокому
отпуску. При этом предел прочности несколько понижается, но зато удается
получить максимально высокую вязкость, т.е. получить максимально высокую
конструкционную прочность. Сочетание полная закалка (820-850є С) + высокий
отпуск (550-650є С) применяется для улучшаемых сталей. Структура после
такой закалки – сорбит. Границ зерен не видно. Максимально высокая
усталостная прочность достигается только при условии однородной структуры,
поэтому в этом случае детали должны иметь сквозную прокаливаемость. Если
после закалки в центре детали структура будет перлитная, то такая деталь
будет плохо сопротивляться усталости.
2. Но для обеспечения сквозной прокаливаемости требуется иметь максимально
высокий критический диаметр, т.е. максимально возможный диаметр, на который
прокаливается деталь в данном охладителе. Критический диаметр, т.е.
прокаливаемость, зависит от многих факторов. Но главным из них является
наличие легирующих элементов (кроме кобальта, легирующие элементы смещают с-
образные кривые вправо, увеличивают устойчивость аустенита, уменьшая тем
самым критическую скорость охлаждения).
В результате при закалке скорость охлаждения даже массивных деталей
становится выше критической, и деталь закаливается насквозь, т.е. основным
механизмом влияния легирующих элементов на данную сталь является увеличение
прокаливаемости стали.
3. Многие детали из улучшаемой стали работают в условиях поверхностного
износа (в условиях трения). Сопротивление износу обеспечивает высокая
твердость, но после высокого отпуска твердость стали составляет 23-25 HRC и
ее недостаточно. Поэтому как дополнительный вариант упрочняющей
термообработки для таких деталей применяют поверхностную закалку или ХТО
(азотирование). Добавки V, Ti образуют очень стойкие карбиды, которые не
растворяются при нагреве под закалку, поэтому сдерживают рост аустенита. В
результате сталь получается мелкозернистой и имеет высокую вязкость. Mo и W
вводят в сталь для уменьшения отпускной хрупкости 2 рода. Буква А в конце
означает уменьшенное содержание вредных примесей S и P.
Выбор той или иной марки стали из этой группы проводится, прежде всего, по
пределу прочности и по критическому диаметру. Для этого пользуются
таблицей, где все стали размещены по категориям прочности и критическому
диаметру. По критическому диаметру улучшаемые стали разделяют на 5 групп:
1. Критический диаметр до 20 мм при охлаждении в воде. В эту группу входят
все простые углеродистые стали 30, 35, 40, 45, т.е. практически
нелегированные (самые дешевые и легкодоступные).
2. Критический диаметр 20-40 мм при охлаждении в масле. В эту группу входят
стали 35Х, 40Х, 45Х.
3. Критический диаметр 40-60 мм. В эту группу входят стали 38ХС, 25ХГСА,
30ХГСА, 35ХГСА, 40Г2, 40ХГР, т.е. стали, содержащие добавки Cr, Mn, Si.
4. Критический диаметр до 100 мм. В эту группу входят стали 30ХН3А, 35ХМ,
40ХН, т.е. стали, содержащие Cr, Ni.
5. Критический диаметр свыше 100 мм (до 1000 мм). В эту группу входят стали
38Х2Н2МА, 35ХН3МА, 40ХНМА.
Высокоуглеродистые пружинные, рессорные стали.
1. Основное требование к пружинно-рессорной стали – это максимальный предел
упругости. Величина предела упругости зависит в основном от количества
углерода в стали: чем его больше, тем выше предел упругости.
2. Второе требование – высокая релаксационная стойкость (против снижения
предела упругости).
3. Стойкость при усталостном нагружении. Требуется высокое качество
поверхности, дополнительная обработка наклепом (дробь, песок), чтобы не
возникли трещины усталости.
Термообработка пружинных сталей.
При изготовлении пружин пользуются как горячей, так и холодной деформацией.
Горячая деформация используется при изготовлении крупногабаритных пружин
большого сечения.
После горячей навивки применяют закалку и средний отпуск, структура -
троостит. Он представляет собой мелкопластинчатую структуру, которая
обладает минимальным запасом вязкости, но, так как пружины должны работать
только на упругость, то вязкость не является ограничением.
При изготовлении пружин небольшого поперечного сечения можно использовать
патентирование, т.е. изотермический отжиг с последующей холодной
деформацией. После изготовления и термообработки пружины подвергают
тщательной обработке поверхности (шлифовка, полировка, покраска), чтобы
устранить концентраторы напряжений для последующего устранения усталостных
трещин. Повысить усталостную стойкость можно также обработкой, создающей
поверхностный наклеп.
Стали для холодной штамповки.
К этим сталям относят, прежде всего, малоуглеродистые стали с содержанием С
=0,05 – 0,2%. Основные требования:
1. Высокая штампуемость, т.е. способность принимать объемную форму из плоской заготовки.
2. Высокое качество поверхности детали после холодной штамповки.
Эти требования обеспечиваются:
1. Механическими свойствами.
2. Химическим составом.
3. Структурой.
Требования по механическим свойствам:
1. Минимальная твердость (HRB)
2. Высокий предел прочности ?В, низкий ?Т ([pic])
[pic]– число текучести.
3. Высокая пластичность.
Требования по химическому составу:
1. Содержание С 1400-1500 мПа. Самые прочные достигают ?в=3000
мПа.
Так же обладают высоким пределом текучести ?т > 1350-1400 мПа, т.е. стали - высокопластичные. Высокопрочные стали применяются в авиации и ракетной
технике, т.к. они позволяют при заданной прочности снизить вес конструкции.
Чтобы получить высокую прочность необходимо провести соответствующее
легирование, обеспечить высокую чистоту металла, получить структуру за счет
термообработки, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Высокую
прочность, твердость можно получить и в обычных углеродистых сталях после
закалки и низкого отпуска, но при этом такая сталь обладает высокой
хрупкостью, т.е. не может сопротивляться ударным нагрузкам. Поэтому такие
стали отнести к высокопрочным можно лишь условно. К высокопрочным сталям
относят те стали, которые обладают высоким сопротивлением к хрупкому
разрушению К1С = 200-300 кДж/мІ.
Для повышения вязкости стали, в нее обычно вводят большое количество Ni,
Mo, Mn. Для повышения прокаливаемости сталь должна содержать Cr, Si. Для
образования упрочняющих интерметаллидных фаз добавляют Ti, Al, W. Несмотря
на то, что С – самый сильный упрочнитель, повышение его концентрации ведет
к снижению вязкости. Поэтому содержание С Тзак. Если
это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет
снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему
процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и
небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации.
Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании.
В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени
продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу
после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была
обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al – Mg – Si. В
настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению
пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых
легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).
НТМО.
При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала
старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора.
И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому
после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-
20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения
дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение
вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации,
повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на
прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно
выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.
Сплавы алюминия.
Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.
Химически чистый обозначается А. Далее идут цифры, показывающие его чистоту
Технически чистый алюминий маркируется А. Далее идет цифра, показывающая
содержание алюминия.
Деформируемый алюминий.
АД
Основными легирующими элементами, которые вводят в состав сплава, являются
Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Li. Их количество может изменяться от 0,5 до 12%. Кроме
этих элементов в качестве микродобавок могут вводить Ti, Cr, Fe, Zr, Sc. В
качестве маркировки используют 3 схемы:
1. Деформируемый алюминий.
АМц (N) – Al – Mn.
АМg (N) – Al – Mg.
АВ, АД – Al – Mg – Si.
Д1, Д16 – Al – Cu – Mg.
Литейный алюминий.
АЛ (N).
2. Цифровая схема для деформируемых сплавов.
Всего 4 цифры:
1 цифра – основа (Al – 1)
2 цифра – система легирования (0 – чистый алюминий, 1 – Al – Cu – Mg, 2 –
Al – Cu – Mn, 3 – Al – Mg – Si, 4 – Al – Mg, 5 – Al – Mg, 9 – Al – Zn –
Mg).
3 и 4 цифра – номер сплава.
3. Литейные сплавы.
Аналогична маркировке стали.
А – Al (основа).
2 место – легирующие элементы:
К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Мц – Mn, Н – Ni, Ц – Zn.
После каждой буквы, соответствующей легирующему элементу, стоит цифра,
показывающая его содержание в целых процентах. Если цифры нет, то
количество легирующего элемента равно 1%.
В зависимости от технологии производства выпускаются полуфабрикаты из
алюминиевых сплавов после различных вариантов термообработки. В этом случае
к основной маркировке в конце добавляются буквы и цифры, показывающие
состояние поставки:
А – плакировка.
Б – технологическая плакировка.
М – отожженный.
П – полунагартованный.
Н – нагартованный.
Т – твердый (закалка + естественное старение).
Т1 – закалка + искусственное старение.
ТН – закаленный, нагартованный и естественно состаренный.
Т1Н – закаленный, нагартованный и искусственно состаренный.
Т1Н1 – закаленный, усиленно нагартован и искусственно состаренный.
Сплавы, не упрочняемые термообработкой.
К этой группе относятся технический алюминий, деформируемый алюминий,
сплавы Al с Mn (АМц), Al с Mg (АМг).
Сплавы Al c Mn (АМц).
Mn образует с Al интерметаллидную фазу AlMn6, которая дает эвтектику при
температуре 658є С при содержании Mn 1,95%. Количество Mn, которое может
перейти в твердый раствор, составляет 0,5% при 500є С. Несмотря на
ограниченную растворимость Mn в Al, эффект от упрочняющей термообработки
настолько невелик, что эти сплавы считаются не упрочняемыми
термообработкой. Mn повышает прочность Al, при этом сохраняется
пластичность, высокая коррозионная стойкость, свариваемость. Поэтому из
этого сплава делают листы, ленты для холодной штамповки.
Термообработка: рекристаллизационный отжиг 500є С – 1 час. Увеличение
температуры или времени выдержки может привести к крупнозернистости. Для
измельчения зерна вводят Ti. Повысить прочность можно только наклепом.
Сплавы Al c Mg (АМг).
Mg, растворяясь в Al, сильно увеличивает его прочность. Каждый процент Mg
увеличивает прочность на 30 мПа. Однако прочность увеличивается за счет
эффекта растворного упрочнения. Выделение вторичной фазы после закалки и
старения дает заметный эффект упрочнения только при содержании Mg в сплаве
8%. Сплавы для холодной деформации содержат не более 6% Mg. Эти сплавы
также считаются не упрочняемыми.
АМг1 – 1,1% Mg.
АМг2 – 2,5% Mg.
АМг3 – 3,2% Mg.
АМг5 – 5,5% Mg.
АМг6 – 6,5% Mg.
Первые три сплава используются для изготовления листов обшивки.
АМг5 и АМг6 используют в тяжело нагруженных деталях, хорошо свариваются.
Основной вид термообработки: отжиг 450-470є С, продолжительность 0,5-3
часа. Сплавы АМг можно упрочнять деформацией.
Сплавы, деформируемые и упрочняемые термообработкой.
Сплавы Al – Cu – Mg.
Дюралями называют сплавы Al с Cu, к которым дополнительно добавляют Mg и
Mn. Упрочняются эти сплавы за счет закалки без полиморфного превращения и
последующего старения. Выделение упрочняющих вторичных фаз позволяет
блокировать дислокации и увеличивать сопротивление деформации. Особенностью
термообработки дюрали является очень узкий интервал закалочных температур.
Если сплав недогреть, то не происходит растворения вторичных фаз и эффекта
закалки не будет. Если сплав перегреть, то по границам зерен появляется
жидкая фаза, происходит усадка, образуется микропористость и резко
снижаются прочность и пластичность. После нагрева и выдержки перенос
деталей из печи в закалочный бак должен проводиться очень быстро (не более
30 сек). Поэтому для закалки алюминиевых сплавов строят специальную печь.
После закалки проводят старение. Для жаропрочных дюралей применяют
искусственное старение (120-160є С) от 4 до 12 часов.
1. Дюрали средней прочности Д1, Д6.
2. Дюрали повышенной прочности Д16.
3. Дюрали жаропрочные Д19, ВАД1.
4. Дюрали повышенной пластичности Д18.
Крупным недостатком являются плохая коррозионная стойкость. Для повышения
коррозионной стойкости проводят плакировку. Стали групп 2 и 3 подлежат
закалке и искусственному старению.
Сплавы Al – Si – Mn.
Основные стали группы: АВ, АД31, АД33, АД35. Данные сплавы используют для
изготовления обшивки самолетов.
Термообработка: закалка 540-560є С (охлаждение на воздухе или в масле) +
искусственное старение 160-180є С. Сплавы относятся к среднепрочным.
Сплавы Al – Zn – Mg – Cu.
Основные стали группы: В93, В95, В96, В96ц.
Химический состав: 6-8,5% Zn, 2-2,5% Mg, 1-2% Cu.
Сплавы данной группы обладают повышенной прочностью.
Термообработка: закалка 450-470є С (охлаждение в кипящей воде) +
искусственное старение 175є С. Если требуется максимальная вязкость, то
сплав подвергают перестариванию (Т2). Высокопрочные сплавы используют для
тяжело нагруженных элементов каркаса самолетов. Недостаток данных сплавов –
плохая коррозионная стойкость, хрупкость.
Сплавы Al – Cu – Mn.
Основные стали группы: Д20.
Данные сплавы являются жаропрочными.
Рабочие температуры от –250є С до 250є С. Упрочняются термообработкой, хорошо свариваются, имеют хорошую
коррозионную стойкость.
Сплавы Al – Zn – Mg.
Основные стали группы: 1915, 1925.
Понижено количество Zn. Данные стали разработаны для замены АМг6. Стали
хорошо свариваются, имеют хорошую коррозионную стойкость. Упрочняются
термообработкой (закалка + старение). Сплавы относятся к среднепрочным.
Сплавы АК.
Основные стали группы: АК4, АК41, АК6, АК8, АК10, АК12.
Эти сплавы для горячей штамповки. Сплавы относятся к группе высокопрочных.
Они упрочняются термообработкой (закалка + старение), не поддаются сварке.
Добавки Fe и Ni позволяют получить в сплаве труднорастворимые упрочняющие
фазы.
Поэтому детали не теряют прочности при температуре 300є С. Вместе с тем при
нормальной температуре прочность и пластичность меньше, чем у дюралей.
Сплавы Al – Li – Cu, Al – Li – Mg.
Li имеет хорошую растворимость и упрочняет сплав. Введение Li повышает
упругость и жесткость конструкции. Сплавы имеют плохую технологичность и
сильно окисляются.
Специальные алюминиевые сплавы.
Основные стали группы: САП1, САП2, САП3.
После прокатки получают либо листы, либо профили. При этом основа сплава –
чистый алюминий. А в качестве упрочняющей фазы выступает окись алюминия, в
которую покрыты частицы порошка. При горячей деформации окисная пленка
дробится, измельчается и равномерно распределяется по всему объему
полуфабриката. В процессе нагревания такая окисная пленка не растворяется
вплоть до расплавления, что позволяет сохранить прочность при рабочих
температурах до 350є С. Эти сплавы являются самыми жаропрочными. При
нормальной температуре прочность и пластичность хуже, чем у дюралей. А
максимальная жаропрочность зависит только от количества окислов внутри
металла. Если в качестве исходных материалов брать более мелкий порошок, то
объемная доля окислов увеличивается, соответственно увеличивается
сопротивление деформации. Поэтому, изменяя размер порошка, изменяют
количество окислов.