Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3. ЗАКАЛКА
Закалка — термическая обработка, заключается в нагревании стали до темт-пературы выше критической (Лс3 для доэвтектоидной и Ас^ — для заэвтек-тоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 127). Закалка не является окончательной операцией термической, обра ботки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обяза тельно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкцион ную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также и.высокой износостойкости.
Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до тем пературы на 30 —50°С выше точки Ас3 (рис. 128). В этом случае сталь с ис-
1 Для некоторых высоколегированных сталей охлаждение на воздухе по существу является закалкой.
197
Рис. 127. Схема закалки дозвтсктоидной стали:
я—'график закалки; б — термокинетичсская диаграмма с указанием скорости охлаждения при закалке
ходной структурой перлит - феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше кри тической превращается в мартенсит. Закалку от температур, соответствую щих межкритическому интервалу (Ас1 - Ас3), не применяют. При всех тем пературах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранившегося при на греве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температур вы ше Ас3.
Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше /4сх.
Рис. Т 28. Диаграмма состоянии Ке — Ге3С с нанесенными температу рами закалки доэвтектоидной и за-эвтектоидной стали
(рис. 128). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого коли чества вторичного цементита. После охлаж дения структура стали состоит из мартен сита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Верхний предел температуры закалки для боль шинства заэвтектоидных сталей ограничи вают, так как чрезмерное повышение темпе ратуры выше Ас1 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. По этому интервал колебания температур за калки большинства сталей невелик (15 — 20°С).
Для многих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает крити-
198
Таблица 2 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки
|
Условия нагрева |
Продолжительность нагрева, на 1 мм сечения (или толщины изделия), с |
Условия |
Продолжительность нагрева, на 1 мм сечения (или толщины изделия), с |
||||
|
круглого |
квадрат ного |
прямоу гольного |
нагрева |
круглого |
квадрат ного |
прямоу гольного |
|
|
В электропе чи В пламенной печи |
40-50 35-40 |
50-60 45-60 |
60-75 55-60 |
В соляной ванне В соляной ванне |
12-15 6-8 |
15-18 8-10 |
18-22 10-12 |
ческие точки -Ас\ и Асъ (на 150 — 250°С), что необходимо для пере вода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированное™ аустенита.
Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.
Продолжительность нагрева при аустенитизации стали. Продолжитель ность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и заверше ние фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали.
Общая продолжительность нагрева тобщ = тсп + тив, где тс„ — продол жительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловленная формой и размером изделия, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали и т. д.; т,ш — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, не зависящая от формы и размера изделия и определяемая только составом и исходным состоянием стали.
Для определения тобщ чаще пользуются опытными данными (табл. 2).
Эти данные не являются единственными, на некоторых заводах следую щие скорости нагрева на 1 мм сечения: в электропечи 1,5 — 2 мин; в пламе ней печи 1,0 мин; в соляной ванне 0,5 мин и в свинцовой ванне 0,1 — 0,15 мин.
Величина т„в должна быть минимальной, но обеспечивать завершение фазовых превращений в стали и необходимую концентрацию углерода и легирующих элементов в аустените.
Продолжительность изотермической выдержки при заданной темпера туре для деталей машин часто принимают равной 15 — 25% от продолжи тельности сквозного прогрева.
Выдержка в электропечи при температуре закалки для инструмента из углеродистой стали (0,7— 1,3%С) рекомендуется 50 — 80 с на Гмм наимень шего сечения, а легированной стали 70 — 90 с; при нагреве в соляной ванне соответственно 20 — 25 с для углеродистой стали и 25 — 30 с для легирован ной.
Фасонный инструмент и детали 'машин сложных форм при нагреве под закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подо гревать в печи при 400 —600°С.
Выбор среды для нагрева при термической обработке. При нагреве в пла менных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы с по-
199
верхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглерожи ванию стали.
Окисление создает невозвратимые потери металла, ухудшает состояние поверхностных слоев и требует последующей очистки от окалины. Окисле ние происходит в результате взаимодействия стали с кислородом (2Ре + + О, -> 2РеО), парами воды (Ре + Н,О -»РеО + Н,) и двуокисью углерода (Ре + СО2 -> РеО + СО).
В начальной стадии нагрева окисление происходит вследствие ука занных химических реакций, развивающихся на поверхности. После обра зования пленки окисла процесс окисления протекает в результате диффу зии атомов кислорода через слой окалины к металлу и встречной диффузии атомов (ионов) металла через окалины по направлению к поверхности.
При нагреве до 500 — 550°С окисление незначительно, но при дальней шем увеличении температуры сильно возрастают скорость и интенсив ность окисления, причем особенно значительно, если образующая окалина имеет пористость (что свойственно закиси железа).
Обезуглероживание протекает при высоких температурах в результате взаимодействия стали с водородом (аустенит + 2Н2 —> Реу + СН4) и кисло родом (аустенит + 0,5О2 -»Реу + СО).
Оно снижает твердость, износостойкость и сопротивление усталости.
Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в ра бочее пространство печи вводят защитную газовую среду (контролируе мые атмосферы). В качестве таких сред применяются следующие атмо сферы :
1 Реакции, идущие с поглощением теплоты, называют эндотермическими. В связи с этим появилось название атмосферы, получаемой в генераторах с подогревом.
200
кой (ПСО-09), в последнем случае эта атмосфера содержит 2% СО, 2% Н2, 96% Ы2; в атмосфере (ПС-09) присутствуют 10% СО2 и 2,3% Н2О (за счет соответствующего уменьшения количества азота); эту атмосферу приме няют для нагрева низкоуглеродистых, конструкционных и инструмен тальных сталей;
В последние годы все шире применяют нагрев в вакууме (обычно 10~2 - 10~3 мм рт. ст., но иногда до 10~А - 10"6 мм рт. ст.), особенно для коррозионно-стойких, жаропрочных, электротехнических и специальных сталей и сплавов.
Режущие инструменты, а также некоторые детали машин небольших размеров чаще нагревают в расплавленных солях.
4. ОТПУСК
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас\. выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с опреде ленной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутрен ние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напря жения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3% С, в результа те отпуска при 55СГС уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм2. Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.
Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15 — 30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряже ния снижаются до минимальной величины, которая может быть достигну та отпуском при данной температуре.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600 С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обра тимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 —650 С во-всех случаях следует охлаждать быстро.
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.
212
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-200°С, реже до 240 —250°С. При этом снижаются внутренние напря жения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повы шается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5—1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах ИКС 58 — 63, а следовательно, высокую износостой кость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не вы держивает значительных динамических нагрузок.
Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и изме рительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, циани рование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1 — 2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Среднетемпера гуриый (средний) отпуск выполняют при 350 —500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штам пов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел вынос ливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45 — 0,8% С) по сле среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твер достью ИКС 40 — 50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом,, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Охлаждение после отпуска при 400 —450°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 —680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий от пуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отслеженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость (табл. 4). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, назы вают улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 — 0.5% С) конструк ционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу' текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостой-
Таблица 4
Влияние термической обработки на механические свойства углеродистой стали
с 0,42% С*
|
_ |
|||||
|
'Термическая |
а„. |
||||
|
обработка |
кгс/мм2 |
0/ |
кгс • м/см2 |
||
|
Отжиг при 88(ГС |
55 |
35 |
20 |
52 |
9 |
|
Закалка с 880"С (охлаждение в воде) |
|||||
|
и отпуск: |
|||||
|
при 300°С |
130 |
110 |
12 |
35 |
3 |
|
при 600' С |
62 |
43 |
22 |
55 |
14 |
Заготовка диаметром 12 мм.
213
кость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличи вая работу пластической деформации при движении трещины (работу раз-, вития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Отпуск при 550 — 600°С в течение 1—2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высо кого отпуска составляет 1,0 — 6 ч — в зависимости от габаритных размеров изделия.
3. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ
Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, кремний и марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. .Большин ство конструкционных сталей относятся к перлитному классу, а в равно весном состоянии — к группе доэвтектоидных.
Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами после термической обработки (закалки и отпуска), которые сравнительно мало отличаются от механических свойств углеродистой стали в изделиях малых сечений. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15 — 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем угле родистых. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное' сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, луч шей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеро дистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в ме нее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изде лий и опасность образования трещин. Легированные стали применяют поэтому не только для крупных изделий, но и для изделий небольшого се чения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация леги рующих элементов, тем выше ее прокаливаемость.
Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами — марганцем, хромом и бором, а также более доро гими — никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по до стижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напро тив, ухудшить механические, технологические (обработку резанием, свари ваемость и т. д.) свойства стали. При этом повышается порог хладнолом кости и уменьшается запас вязкости. Например, увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1,0% практически не влияет на порог хлад ноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломко сти повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов дол жно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного ч сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.
Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопро тивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вяз кость, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений и пони жает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1,0% N1
9. Ю. М. Лахтин и др. 257
порог хладноломкости снижается на 60 —80~С, дальнейшее увеличение кон центрации никеля до 3 — 4% вызывает менее сильное, но все же снижение порога хладноломкости. Повышая запас вязкости, никель увеличивает ар и К 1с- Введение 3 — 4% N1 рекомендуется для обеспечения глубокой прокалн-ваемости. Никель — дорогой металл, поэтому чаще в конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими элементами и притом в предельно минимальном количестве. В сложнолегированных сталях ни кель также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.
Легирование стали небольшими количествами (до 0,05—0,15%) V, Т1, N5 и 2г, образующими труднорастворимые в аустените карбиды, измель чает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распро странения трещины «р и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. При большом содержании этих элементов прокаливаемость п сопротивление стали хрупкому разрушению уменьшается вследствие вы деления большого количества карбидов (УС, Т1С и др.) по границам зерен.
Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против от пуска п задерживают коагуляцию карбидов.
После одинаковой температуры отпуска легированная сталь будет иметь более высокую прочность (твердость), но несколько меньшую пла стичность и вязкость, чем углеродистая сталь. Легирующие элементы су щественно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя феррнт-ную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных частиц. Наибо лее сильно упрочняют сталь Сг, Мо и 81.
В связи с этим легированная сталь п в отожженном (нормализованном) состоянии будет обладать большей прочностью, но меньшей пластич ностью, чем углеродистая.
Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют мо либденом (или вольфрамом), что очень важно для крупных изделий, в ко торых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устра нить эту хрупкость. Кроме того, .молибден (вольфрам) повышает прокаливаемость (особенно в сочетании с никелем), устойчивость стали против отпуска и способствует образованию мелкозернистой стали. Мо либден значительно улучшает механические свойства стали после цемента ции (нитроцементации) и повышает твердость и прокаливаемость цементо ванного слоя, так как стали, содержащие молибден, не склонны к внутреннему окислению при взаимодействии с газовым карбюризато ром.
Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закал ке. Стали, содержащие кремний, после изотермической закалки обеспечи вают высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Это объясняется тем, что в процессе промежуточного превращения возрастает количество высокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вяз кость бейннта вследствие уменьшения в ос-фазе углерода.
Маркировка легированных конструкционных сталей. Легированные кон струкционные стали маркируют цифрами и буквами, например 15Х. 40ХФА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ и т. д. Двухзначные цифры, приводимые
258
I.
в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - крем ний, Т -титан, Ф,- ванадий, X - хром, Ц -цирконий, Ч - редкозе мельный, Ю — алюминий.
Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующе го легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указы вает, что оно составляет ~ 1-1,5% и менее. Основная масса легированных конструкционных сталей . выплавляется качественными ( < 0,035% Р и < 0,035% 8).
Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей (< 0,025% 8 и < 0,025% Р) и обозначаются буквой А, помещенной в конце марки.
6. Для изготовления мерительного инструмента (гладкие и резь» бовые калибры) выбрана сталь 9ХЗГ, твердость после термическое обработки НРС 56-62.
Обосновать выбор стали. Указать на возможность замены. Наз начить режим термообработки. Описать структуру после термообработ ки.
2. СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) дол жны обладать высокой твердостью, износостойкостью и сохранять по-, стоянство размеров. Обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X (0,95-1,1% С, и 1,3-1,65% Сг), ХВГ и 12X1 (1,15-1,25% С, 1,3 — 1,65% Сг). Измерительный инструмент подвергают' закалке в масле с возможно более низкой температурой, обычно с 840 — 850°С для сталей X и ХВГ и с 850 — 880°С для стали 12X1 с целью получения минимального количества остаточного аустенита. В закаленной высокоуглеродистой ста ли при нормальной комнатной температуре в течение длительного вре мени самопроизвольно протекает процесс старения, который заключается в частичном распаде мартенсита и превращении некоторого количества остаточного аустенита в мартенсит. Старение вызывает небольшое измене ние объема и линейных размеров изделия, недопустимое для измери тельных инструментов высоких классов точности.
•. Для предупреждения подобного старения измерительные инструменты продолжительное время (12 — 60 ч) подвергают отпуску при 120 —140°С. Твердость после указанной обработки составляет ИКС 62 — 64. Иногда по сле закалки производят обработку холодом при —50-;—80°С для более полного превращения остаточного аустенита.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные ин струменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабо чей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.