Повышение качества стали

Размещено на http://allbest.ru

1.Термомеханическая обработка стали

термомеханический сталь легированный газопламенный

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО). Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов. При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии). Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском. В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А₃). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке. Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей. Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку. Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два -- четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 1):

Таблица 1. Механические свойства сталей после ТМО

	МПа	, МПа	, %	, %
НТМО	2400…2900	2000…2400	5…8	15…30
ВТМО	2100…2700	1900…2200	7…9	25… 40
ТО	1400	1100	2	3
				(сталь 40 после обычной закалки)



Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.

Поверхностное упрочнение стальных деталей

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости. Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

2. Закалка токами высокой частоты

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 10⁶ Гц. Глубина закаленного слоя -- до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство -- спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

- большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

- более высокие механические свойства;

- отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

- снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

- возможность автоматизации процесса;

- использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;

- позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода -- высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.



3. Газопламенная закалка

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200^oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или -- наоборот.

Недостатки метода:

- невысокая производительность;

- сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.

Закалка без полиморфного превращения -- термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение -- термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

- тонкопластинчатой (дискообразной);

- равноосной (сферической или кубической);

- игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения -- повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении -- это деформационное старение.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период -- время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.

4. Обработка стали холодом

Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (М_к) ниже 0^oС. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. М_к (- 80^oС). Обычно для этого используют сухой лед.

Такая обработка называется обработкой стали холодом.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

Упрочнение методом пластической деформации

Основное назначение методов механического упрочнения поверхности -- повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения -- наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка -- обработка дробью поверхности готовых деталей.

Осуществляется с помощью специальных дробеструйных установок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь на поверхность обрабатываемых деталей. Диаметр дроби -- 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.

Термическая обработка (ТО) является одним из основных способов изменения и управления свойствами углеродистой стали. Являясь самым распространенным конструкционным материалом, углеродистая сталь очень редко применяется без ТО, так как даже в горячекатаном состоянии она часто имеет неудовлетворительную структуру, большие внутренние напряжения, обладает анизотропностью свойств и требует ТО (нормализации) для исправления структуры, снижения внутренних напряжений и повышения механических свойств - характеристик прочности, пластичности и особенно ударной вязкости. Закалка и последующий отпуск наиболее часто применяются для упрочнения углеродистой стали. При этом важно помнить, что закаленные детали почти всегда подвергаются отпуску, а закалка с последующим высоким отпуском даже носит специальное название - улучшение. Очень часто для углеродистых сталей применяют нормализацию. Эта термическая операция нужна, как правило, тогда, когда требуется исправить структуру и понизить уровень напряжений, которые получают изделия в процессе прокатки, ковки, штамповки и других видов пластической деформации. Стали, которые должны подвергаться глубокой вытяжке (штамповке кузовов автомобилей и т.п.), должны иметь очень высокие пластические свойства, а внутренние напряжения должны быть минимальными. В этом случае применяется термическая операция, которая называется отжигом.

Любая ТО заключается в том, что изделие из углеродистой стали нагревают до заданной температуры, делают выдержку и охлаждают с определенной скоростью. Очень часто изделия, нагретые до одной и той же температуры, но охлажденные с различными скоростями, приобретают совершенно разные механические свойства. На вопрос, до каких температур нужно нагревать изделие и с какой скоростью охлаждать, чтобы получить желаемые механические свойства, в общих чертах дают ответ диаграммы состояния железо - углерод и изотермического превращения аустенита (рис. I и 2). Влияние скорости охлаждения при термической обработке на структуру и свойства углеродистой стали (Закалка, нормализация и отжиг стали) Закалкой называется термическая операция, заключающаяся в нагреве металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния сплава. В результате закалки детали, изготовленные из углеродистой стали, приобретают повышенную твердость и прочность. Технологическая операция закалки углеродистой стали заключается в том, что деталь нагревают до температуры выше Ас3 на 30-50°С (для доэвтектоидной стали), то есть в аустенитную область на диаграмме железо - углерод (рис.1) или выше Ac1 на 30 - 50°С (для заэвтектоидной стали), делают выдержку до полного выравнивания температуры по сечению изделия и после этого охлаждают с большой скоростью. При скорости охлаждения стали больше критической происходит превращение аустенита А в мартенсит М: В этом случае все атомы углерода остаются в твердом растворе. Такое превращение является бездиффузионным. При этом состав фаз не изменяется, а происходит только перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную решетку мартенсита, которая заметно отличается от кубической решетки б- железа. При превращении аустенита в мартенсит атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. Температура мартенситного превращения Мн не зависит от скорости охлаждения и в сталях одного состава мартенситное превращение начинается при одной и той же температуре независимо от скорости охлаждения. Однако следует отметить, что чем меньше углерода в стали, тем при более высокой температуре начинается и заканчивается мартенситное превращение. Вот почему стали с содержанием углерода менъше 0,3% не удается, как правило, закалить на мартенсит. Мартенсит образуется при закалке, но при таких высоких температурах (500°С), что сразу же отпускается, распадаясь с образованием бейнитной структуры. При охлаждении со скоростью, большей критической, получается пересыщенный твердый раствор углерода в б- железе, который мы называем мартенситом.

Образование мартенсита сопровождается увеличением объема, что приводит к большим внутренним напряжениям, превышающим предел текучести аустенита. В результате этого в кристаллах аустенита происходит пластическая деформация, сопровождающаяся возникновением наклепа, получившего название фазового. Искаженная за счет пересыщения и фазового наклепа тетрагональная решетка мартенсита имеет множество дефектов, которые препятствуют развитию сдвигов, движению дислокаций и таким образом упрочняют сталь. Нагрев под закалку доэвтектоидной стали следует производить до температуры выше Ac3 на 30 - 50°С, а заэвтвктоидной стали - выше Ac1 (727°С) на 30 - 50°С (рис.1). Нагрев до более высоких температур доэвтектоидной стали приводит к росту зерна ауствнита, а это способствует образованию крупноигольчатого мартенсита, который обладает пониженными механическими свойствами. Нагрев заэвтектоидной стали до температур, превышающих Ac1 + 30 + 50°С, приводит к увеличению содержания углерода в аустените за счет более полного растворения вторичного цементита, а следовательно, к увеличению количества остаточного аустенита за счет снижения температуры мартенситного превращения.

Так как аустенит - относительно мягкая фаза, то увеличение перегрева заэвтектоидной стали в конечном итоге приводит к снижению твердости закаленной стали. Охлаждение малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей при закалке на мартенсит осуществляется в воде, а стали с содержанием углерода свыше 0,65% охлаждают, как правило, в масле. Это обусловлено тем, что закалочные напряжения в высокоуглеродистых сталях могут привести к образованию микро- и макротрещин, поэтому такие стали и охлаждают в менее резких закалочных средах. При охлаждении стали со скоростью, меньшей критической.

Таблица 2. Характеристика материала Л68

Марка	Л68
Классификация	Латунь, обрабатываемая давлением
Применение	очень хорошо деформируется в холодном состоянии (холодной высадкой)



Таблица 3. Химический состав в % материала Л68

Fe	Р	Сu	Рb	Zn	Sb	Bi	Примесей
до 0.1	до 0.01	67-70	до 0.03	29.7 - 33	до 0.005	до 0.002	всего 0.3

Таблица 4. Механические свойства при Т=20°С материала Л68

Сортамент	ув	д5
-	МПа	%
Сплав твердый	660-740	3-5
Сплав мягкий	300-350	50-60

Твердость материала Л68 , сплав твердый НВ 10^-1= 145 -155 МПа

Твердость материала Л68 , сплав мягкий НВ10^-1=55-65 Мпа

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы Си--Zn

Рис. 2. Температурные интервалы: 1 -- нагрева под обработку давлением; 2 -- рекристаллизационного отжига; 3 -- отжига для уменьшения остаточных напряжений



Микроструктура двойных латуней характеризуется диаграммой состояния медь--цинк (рис. 1).

Латуни, содержащие цинк в количестве до 39%, обладают однофазной структурой твердого раствора а (а латуни),

Литая а -латунь, как и все литые сплавы-твердые растворы, имеет дендритное строение. Под микроскопом оси дендритов, обогащенные медью, имеют светлый оттенок, а междендритное пространство, обогащенное цинком -- темный (рис. 3, а).

Микроструктура а-латуни после деформации и отжига имеет зернистое строение с характерными полосками двойников (рис. 3, б). Различный оттенок зерен а -латуни объясняется произвольной их ориентировкой и разной интенсивностью травления вследствие анизотропии.

Для уменьшения твердости перед обработкой давлением и получения в полуфабрикатах требуемых свойств их подвергают рекристаллизационному отжигу при 500--580 °С с охлаждением на воздухе или в воде (для отделения слоя окалины). Для получения мелкого зерна полосы перед глубокой вытяжкой отжигают при более низкой температуре (450--550 °С).

При нагреве до высоких температур образуется текстура рекристаллизации и крупное зерно, что снижает прочность и пластичность (перегрев латуни).

Рис. 3. Микроструктура однофазной латуни: а -- литой; б-- деформированной и отожженной



5. Улучшаемые конструкционные стали

Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки - «улучшение».

Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высоком или среднем отпуске.

Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6%С), малолегированные (3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10% легирующих элементов) стали (табл.5).

Таблица 5. Основные марки улучшаемых конструкционных сталей

I углеродистые стали ГОСТ 1050-74	II малолегированные стали ГОСТ 4543-71	III среднелегированные стали ГОСТ ГОСТ 4543-71
30, 35	30Г, 50Г, 60Г, 65Г	38ХН3А
40, 45	30Х, 40Х	38Х2МЮА
50, 55	30ХМ, 40ХМ	40ХН2МА
60, 65	50Г2, 50ХФА	38ХН3МФА
	30ХГСА, 40ХМФА	45ХН2МФА

Данные углеродистые стали поставляются металлургической промышленностью в виде поковок (ГОСТ 8479-70); сортового проката (ГОСТ 19903-74); проволоки (ГОСТ 17305-71) и др.

Легированные стали (II и III) поставляются в виде поковок (ГОСТ 2590-71); сортового проката (ГОСТ 2590-71); полосы (ГОСТ 103-76); листа (ГОСТ 19903-74) и др.

Улучшаемые стали в конструкциях должны обеспечивать необходимые показатели прочности (Т_в - предел прочности; Т_0.2 - предел текучести), пластичности(Т% - относительное удлинение; Т% - поперечное сужение), усталостной прочности - Т^-1; ударной вязкости - КСU; твердости НВ, НRс по всему сечению детали.

Основными принципами при выборе марки улучшаемой конструкционной стали являются следующие показатели:

1. Наличие концентраторов напряжений, динамических нагрузок и пониженных температур определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние, например, никелем.

2. Выбор марки стали (степени легированности) определяется размером термически обрабатываемых заготовок (прокаливаемостью).

3. Уровень требуемой прочности достигается термической обработкой.

Хладноломкость улучшаемых сталей

С понижением температуры эксплуатации показатели пластичности и ударной вязкости данных сталей понижаются.

Таким образом, сталь при низких температурах может переходить в хрупкое состояние и склонна к разрушениям, особенно при работе с динамическими нагрузками.

При неправильном выборе стали для эксплуатации при низких температурах имели случаи катастрофических разрушений газопроводов (Аляска), кранов и экскаваторов (Якутия), транспортных машин (Таймыр) и др.

Критерием работоспособности сталей при низких температурах является порог хладноломкости - температура перехода стали из вязкого в хрупкое состояние (рис.20).

Представленные данные свидетельствуют о том, что при прочих равных условиях никелесодержащие стали переходят в хрупкое состояние при более низких температурах; в том же направлении влияет и Мо.

Например, если силовой редуктор работает на предприятии при 20⁰С, шестерню можно изготовить из стали 40, а если коробка передач работает в Якутии (до -60⁰С), шестерни надо изготавливать из стали 40ХНМА.

Кроме того, чем меньше размер зерна в стали, тем ниже порог хладноломкости (рис. 21).

Чтобы предотвратить хрупкие разрушения деталей, работающих при динамических нагрузках, да еще при пониженных температурах, необходимо выбирать никель- и молибденосодержащие стали, а термической обработкой обеспечивать получение мелкозернистой структуры. Кроме того, количество вредных примесей (S, Р) должны быть в этой стали минимальными. В этом смысле сталь 40ХНА лучше стали 40ХН, а сталь 4ХНМА лучше, чем сталь 40ХНМ.

Прокаливаемость улучшаемых сталей

Для того, чтобы механические свойства по всему сечению детали (вал, тяга, ось и др.) были одинаковыми, сталь должна прокаливаться на все сечение, диаметр детали. Прокаливаемость зависит от содержания легирующих элементов и охлаждающей способности среды.

Прокаливаемость оценивают величиной критического диаметра - максимального диаметра, в мм, прутка из соответствующей стали, в котором по всему сечению после закалки образуется не менее 50% мартенсита.

В таблице 6 представлен d_кр для наиболее часто применяемых сталей.

Таблица 6. Критический диаметр прокаливаемости улучшаемых сталей

п/п	Сталь	Температура нагрева под закалку, 0С	dкр, мм
			Охлаждающая среда
			Масло
1	45	850	9
2	40Х	840	13
3	45Г2	850	18
4	30ХГСА	880	20
5	40ХН2МА	850	110
6	38Х2МФА	930	72
7	36Х2Н2МФА	850	142
8	38ХН3МФА	850	150

Из таблицы следует, что все легирующие элементы, особенно Ni, повышают прокаливаемость, а в воде прокаливать насквозь удается деталь большого сечения, диаметра, чем в масле. Однако, закаливать в воде легированные стали не рекомендуется, из-за опасности получения деформаций, трещин.

Например, если требуется спроектировать и изготовить ответственную деталь, от которой требуются высокие механические свойства, однородные по всему сечению, например, штангу диаметром 100 мм, следует выбрать сталь 40ХН2МА (см. табл.3). Стали с меньшей степенью легированности не обеспечат требуемое свойство по всему сечению, с большей - обеспечат свойства, но будут более дорогими.

Упрочняющая термическая обработка осуществляется путем закалки и последующего высокого или среднего отпуска. При этом, если выбор температуры нагрева для углеродистых сталей определяют из диаграммы Fe-С, то для легированных сталей эта температура несколько выше, так как получение легированного аустенита при наличии элементов Cr , Mo , V идет при более высоких температурах. В этом случае пользуются справочными данными.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от показателей прочности и пластичности, необходимых для той или иной детали. Например, такая зависимость для сталей 40ХН показана на рис.22.

На чертежах вместо требований к прочности детали обычно указывают твердость. При этом можно пользоваться соотношением (приближенным):

НВ = 10НR*С_э = 0,0385Т_в (МПа).

Улучшаемые стали в изделиях, например, шестерни часто подвергаются поверхностной закалке с последующим низким отпуском. В этом случае полный режим термической обработки включает улучшение и затем поверхностную закалку.

Последовательность механической и термической обработок в этом случае выглядит следующим образом:

1. Изготовление заготовки шестерни методом объемной штамповки с последующим отжигом (НВ = 172 ед.).

2. Улучшение: закалка от 820⁰С в масле и далее отпуск при 600⁰С, (НВ = 241 ед.).

3. Предварительная механическая обработка заготовки шестерни.

4. Поверхностная закалка на глубину 2..3 мм и низкий отпуск 220⁰С, (НR_с= 56..62 ед.).

5. Окончательная механическая обработка шестерни, включая шлифование зуба в размер.

Такой маршрут обработки позволяет улучшить свойства «тела» шестерни, придать высокую износостойкость зубу шестерни и получить замечательное сочетание показателей пластичности, прочности и износостойкости данного изделия.

Следует обратить внимание на то, что свариваемость улучшаемых сталей затруднена, однако возможна при использовании специальных мер и сопутствующих обработок.

4) Для изготовления деталей работающих в среде уксусной кислоты применяют коррозионно-стойкую сталь марки 03Х18Н11. Химический состав стали 03Х18Н11 (по ГОСТ 5632 - 72)

Механические свойства стали 03Х18Н11 при 20С (лист 8 мм, закалка с 1100 °С в воде)

После термообработки (закалка с температуры 1100 °С с охлаждением в воде) сталь имеет аустенитную структуру (относится к аустенитному классу нержавеющих сталей). Стали аустенитного класса имеют относительно небольшой уровень прочности и высокую пластичность. Хром (Cr), содержание которого в этой стали составляет 17-19%, представляет собой основной элемент, обеспечивающий способность металла к пассивации и обеспечивающий его высокую коррозионную стойкость. Все нержавеющие стали имеют содержание хрома не менее 13% , при содержании хрома менее 13% сталь не имеет коррозионностойких свойств. Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов хрома, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов. Легирование никелем (Ni) в количестве 11% переводит сталь в аустенитный класс, что имеет принципиально важное значение, так как позволяет сочетать высокую технологичность стали (высокую пластичность что облегчает обработку давлением-штамповку) с уникальным комплексом эксплуатационных характеристик. Сталь имеет пониженное содержание углерода (С), что уменьшает вероятность развития межкристаллитной коррозии. При температуре >900^оС сталь имеет полностью аустенитную структуру, что связано с сильным аустенитообразующим воздействием никеля. Соотношение концентраций хрома и никеля оказывает специфическое воздействие на стабильность аустенита при охлаждении с температуры обработки на твердый раствор (1050-1100^оС). Кроме влияния основных элементов, необходимо учитывать также присутствие в стали кремния, титана и алюминия, способствующих образованию феррита. Сталь в исходном состоянии (при комнатной температуре) имеет следующую структуру: перлит + вторичный цементит.

При нагревании стали до температур ниже 727° С она не будет претерпевать фазовых превращений, т. е. указанные выше структуры сохранятся. При температуре 727° С происходит эвтектоидное превращение перлита в аустенит. Образование аустенита сопровождается двумя процессами - перестройкой кристаллической решетки _aFe в _gFe и растворением цементита в образовавшемся аустените (Fe_g). Так как в стали, кроме перлита, содержится цементит вторичный, то он будет растворяться в аустените при нагреве до линии ES, т. е. до критической температуры А_с3. Образовавшийся аустенит не однороден по своему составу, так как процесс диффузии углерода в аустените не завершается при переходе через критическую температуру Ас₃ и А_ст. Чтобы получить однородный по составу аустенит, необходимо либо повысить температуру нагрева, либо увеличить выдержку при заданной температуре. При дальнейшем нагреве стали наблюдается рост зерен аустенита. Этот процесс протекает неодинаково у различных сталей. У некоторых из них даже значительный нагрев выше критических температур не приводит к заметному росту зерен аустенита (наследственно мелкозернистые)), у других же зерно аустенита заметно растет и при незначительном нагреве стали выше критических температур (наследственно крупнозернистые). При нагреве выше линии EJ до BС - часть аустенита переходит в жидкое состояние. Свыше линии BC - сплав полностью находится в жидком состоянии (расплав). Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

С = k-f+1

при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении),где f- число фаз; k - число компонентов.

а) Классификация: Сталь коррозионно-стойкая жаропрочная, ферритного класса.

б) Стойкость стали против коррозии в различных средах зависит от ее состава, структурного состояния, коррозионной среды и от воздействующих нагрузок. Коррозионной стойкостью обладают изделия, на поверхности которых в агрессивных средах образуется прочная пассивирующая пленка, препятствующая проникновению агрессивного вещества в более глубокие слои нержавеющей стали и взаимодействию с этими слоями. К наиболее сильным пассивирующим элементам в окислительных средах относят хром. На поверхности нержавеющих сталей в окислительных средах образуется тончайшая невидимая пленка окислов хрома толщиной в несколько атомных слоев. Плотность пленки и антикоррозионные свойства нержавеющей стали увеличиваются с повышением содержания хрома. При содержании хрома 12--13% сталь становится нержавеющей, т. е. стойкой в атмосфере и в окисляющих средах. Увеличение содержания хрома до 28--30% делает ее стойкой против сильно агрессивных сред. Хром является ферритообразующим элементом, поэтому стали с высоким содержанием хрома (16--30%) относят к ферритному классу. Стойкость феррита делает их невосприимчивыми к закалке, поэтому они характеризуются невысокими прочностными свойствами, что ограничивает область их применения.

Размещено на Allbest.ru

...