Атомно-кристаллическая структура металлов

Нагрев до t₁ > Асз вызывает перекристаллизацию малоуглеродистой стали в сердцевине детали и приводит к измельчению зерна, в поверхностном же слое в аустените растворяется избыточный цементит, а последующее ускоренное охлаждение предотвращает повторное его выделение.

Вторая закалка проводится с t₂ = Ac₁ +(30 - 50 °С). Мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается при нагреве, образуются глобулярные карбиды, которые в определенном количестве сохраняются после неполной второй закалки в поверхностном слое. В результате поверхность приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита с включениями глобулярных карбидов немного аустенита остаточного. Структура сердцевины детали мелкозернистая и зависит от степени легирования стали. Окончательная операция термической обработки низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения. В результате двойной закалки получают оптимальные свойства сердцевины и поверхности. Недостатки такой термической обработки: сложность и дороговизна технологического процесса, повышенное коробление при многократной закалке, возможности окисления и обезуглероживания. Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают одной закалке и низкому отпуску.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственных мелкозернистых сталей применяют закалку с t = Ac₁ + (30- 50^оС). После газовой цементации часто закалку проводят непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до t ₁= Ac₁ + (30-50°С). Подстуживание уменьшает количество аустенита остаточного в структуре закаленного слоя, уменьшает деформацию. Зерно сердцевины при такой обработке не измельчается, поэтому ее применяют для наследственно мелкозернистой стали.

Цементация и последующая термическая обработка повышает предел выносливости стальных деталей вследствии образования в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия. Дополнительно предел выносливости может быть повышен дробеструйным наклепом. Дробеструйный наклон ускоряет превращение остаточного аустенита в мартенсит, растут сжимающие напряжения на поверхности и, как следствие, повышает предел выносливости.

9.2 Азотирование стали

Насыщение стали азотом называется азотированием. Азотирование также, как и цементация является методом поверхностного упрочнения стали. Однако по сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ:

1. более высокая поверхностная твердость, которая сохраняется при нагреве до высоких температур (600-650°С ), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется только до 200-250 °С ;

2. большая устойчивость против износа, действия знакопеременных нагрузок;

3. сопротивление коррозии в атмосфере, в воде, паре;

4. меньшая деформация и коробление;

5. не требует последующей термической обработки;

Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т.к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Азотирование широко применяется для шестерен, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков, втулок насосов и др. Азотирование чаще всего проводят в атмосфере аммиака NH₄, который при повышенных температурах диссоциирует

2 NH₃---> 2N (атом) + 6Н

с образованием активных атомов азота. Атомы азота адсорбируются поверхностью стали диффундируют в глубь, образуя железистоазотистые фазы.

В системе Fe - N возможно образование следующих фаз:

>?- азотистый феррит 0,42 %N при 590° и 0.01%N при 20° ;

>- азотистый аустенит существует при t > 590 ° ;

> - нитрид Fe₄ N, содержащий 5,7%N;

> - нитрид Fe₂ N, содержащий от 8,1 до 11,1% N.

Если проводить азотирование при t₁ < 590⁰ С, то в поверхностном слое будут образовываться фазы, соответствующие диаграмме Fe-N.

Основные цели азотирования:

1. повышение твердости, износостойкости поверхности;

2. повышение усталостной прочности;

3. повышение сопротивления коррозии.

От цели азотирования зависит выбор режима процесса, а от последнего глубина и состав азотированного слоя. Различают упрочняющее азотирование и антикоррозионное.

9.3 Упрочняющее азотирование

При насыщении железа азотом не наблюдается повышение твердости; поэтому чистое железо не подвергают азотированию. При насыщении азотом стали на поверхности образуется карбонитридные фазы Fe₄ (N,C), Fe₃ (N,C) и Fe₂ (N,C). Азот образует нитриды со многими легирующими элементами (Мn, Сг, Ti, A1, V, Мо, Zr и др.) Дисперсные твердые нитриды легирующих элементов (VN, Cr₂N и др.) препятствуют движению дислокации и тем самым повышают твердость и прочность азотированного слоя (рис.81).

При низких температурах азотирования в твердом растворе образуется сегрегация азота, при более высокой температуре дисперсные нитриды. Наиболее сильно упрочняют при азотировании нитриды A1, Сг, Мо, V (рис.81а). Упрочняющему азотированию подвергают сталь со средним содержанием углерода 0,25-0,4% С. Наибольшее упрочнение вызывает азотирование сталей, легированных Сг, A1, Ti, Мо, и др.

Если от азотированного слоя требуется высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь типа нитралоя, легированные молибденом и алюминием.

Технологический процесс изготовления детали из стали типа нитралой предусматривает:

1.Предварительную термическую обработку (улучшение) для повышения прочности и вязкости сердцевины деталей: 1зак. = 900-950°С охлаждение в масле, высокий отпуск при t = 600-675°С, превышающий температуру азотирования;

2.Механическую обработку деталей, вплоть до шлифования;

3.Защиту от азотирования отдельных частей детали, не подлежащих азотированию, оловом (0,01 -0,015мм) или жидким стеклом;

4. Азотирование при t = 500-520°С, время выдержки для получения ? = 0,3-0.6мм от 24 до 90 часов;

5. Окончательное шлифование.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя, что вызвано коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Для ускорения процесса азотирования проводят ступенчатое азотирование: 1-я стадия при t = 500-520°С, 2-я стадия при 540-600°С. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение деформации, без существенного понижения твердости, значительно (в 2-3 раза) сокращается общее время при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), увеличивается в 1,5 раза скорость азотирования под влиянием ультразвука.

9.4 Антикоррозийное азотирование

Для повышения сопротивления коррозии стальных деталей на поверхности необходимо получить беспористый, не травящийся, антикоррозийный слой фазы (0,01-0,03мм), который стоек в атмосфере, бензине, слабых щелочных растворах. Азотирование в этом случае проводят при t = 600-700°С, продолжительность процесса 0,5-1,5 часа. Оно тоже повышает твердость, предел прочности и выносливости. Однако при этом не предъявляются высокие требования к механическим свойствам, поэтому антикоррозийное азотирование проводится при более высокой температуре и на любых сталей, даже обычных углеродистых. В зависимости от условий протекания процесса различают газовое и жидкостное азотирование. Азотирование в жидких средах называют тенифер-процесс и проводится в расплавах 40% KNC + 60% NaCN,t = 550-570°С, t = 0,5-0,3 часа. При продувании сухого воздуха на поверхности образуется 7-15мкм слой карбонитридов Fе₃(CN) с высоким сопротивлением износу. Преимущество метода незначительное изменение размеров, а недостаток: токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Контроль качества азотирования осуществляется по твердости, по глубине слоя на образцах-свидетелях, внешним осмотром поверхности азотирования.

9.5 Нитроцементация и цианирование стали

Насыщение поверхности стали одновременно с углеродом и азотом называется цианированием. Цианирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и установочной прочности стальных деталей. Цианирование можно производить в твердой, жидкой и газовой средах, поэтому различают жидкое и твердое цианирование, газовое цианирование называют нитроцементацией. Азот, проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает критическую Асз, способствует интенсивному науглероживанию стали при более низкой температуре, чем при цементации. Кроме того, азот ускоряет диффузию углерода в аустените. Поэтому цианирование имеет следующие преимущества:

1.Производительность процесса планирования несколько более высокая, чем цементация за счет большей скорости процесса;

2. Более низкая температура цианирования 840-860° С способствует уменьшению деформации деталей, увеличению долговечности печного оборудования, делает возможным закалку непосредственно после цианирования;

3. Диффузионный слой, полученный в результате цианирования или нитроце ментации, имеет особые свойства, отличные от свойств только цементованного или азотированного слоев.

Для планирования чаще применяют стали содержащие 0,2-0,4% С, углеродистые или низколегированные, инструментальные, высоколегированные стали, которые подвергают планированию для повышения износостойкости. Наиболее часто встречается жидкостное планирование и нитроцементация.

Жидкостное цианирование проводится в расплавленных солях:

цианистых (NaCN, KCN,K₄[Fе(СN)₆] и нейтральных (NaCl, BaCl,NaC0₃, KCl и другие). В последнее время более широко применяют ванну, состоящую из 20-25% NaCN, 25-50% Na₂CO₃. Кислород, растворенный в жидкой ванне, вступает во взаимодействие с NaCN

4NaCN+0₂ >4NaCNO

4NaCNO + 0₂ > 2Na₂C03 + 2СО + 4N (атом)

2СО>С0₂+С(атом)

Атомарные N и С диффундируют в железо, а в результате реакций остается Na₂C0₃. Цианирование ведут при t = 820-870°C, а затем детали подвергают закалке с температуры цианирования и низкому отпуску (180-200 ° С) (рис. 82). Микроструктура состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe₂ (N,C); Fe₃ (C,N) и азотистого мартенсита. Для получения слоя большей глубины повышают температуру цианирования (глубокое цианирование) до t = 900-950 ° С в ванне, содержащей 8% NaCN, 82% ВаСl , 10% NaCI

ВаСl₂ + 2NaCN >NaCI + Ba(CN)₂

Ba(CN)₂ > Ba(CN)₂+C(aтом)

Ba(CN) ₂ +0₂ >BaO+CO+2N (атом)

После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна снова нагревают под закалку.

Чем выше температура цианирования, тем ближе этот процесс к цементации. Глубокое цианирование применяют вместо цементации, т.к. оно требует меньше времени для получения слоя заданной толщины, значительно меньше деформация деталей и более высокое сопротивление износу и коррозии.

Инструменты из быстрорежущих и высокохромистых сталей подвергают низкотемпературному цианированию при t = 550-600° с насыщением поверхности стали азотом. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость и высокая стоимость цианистых солей.

Нитроцементация осуществляется в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при t=850-860°C. В зависимости от аммиака и температуры процесса концентрации азота и углерода в поверхностном слое стали разная. Так, при t= 850-870°C в атмосфере с минимальным количеством NНз (3%), легированные стали насыщаются углеродом значительно интенсивнее, чем азотом. Такой процесс предложено называть карбонитрированием. Углеродистые и низколегированные стали при 850-870°С и повышенном содержании NH₃ подвергают нитроцементации. Различают высоко- и низкотемпературную нитроцементацию. После высокотемпературной нитроцементации при t = 840-860°С проводят непосредственно закалку или с температуры нитроцементации или после подстуживания до 800-820°С и низкий отпуск. Контроль качества термической обработки осуществляется на образцах-свидетелях из той же марки стали, что и обрабатываемые детали, прошедших химико-термическую обработку вместе с деталями. Металлографически определяется толщина слоя и его структура. После закалки и отпуска на поверхности деталей измеряют твердость, которая должна быть в пределах HRC 58-64. Структура поверхностного слоя после нитроцементации и закалки состоит из мелкокристаллического мартенсита, 25-30% карбонитридов и остаточного аустенита. Причем количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое больше, чем в цементованном вследствии легирования первого азотом. Повышенное количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое объясняет повышенную пластичность, вязкость и хорошую прирабатываемость деталей после нитроцементации.

Нитроцементация более дешевый процесс, чем жидкостное цианирование, безопасный, позволяет более точно регулировать толщину и состав диффузионного слоя.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементация проводится при более низкой температуре; но с той же скоростью, не выделяется сажа на поверхности деталей, диффузионный слой обладает более высокой износостойкостью, пределом выносливости, при нитроцементации меньше деформация деталей, меньше стоимость процесса. Поэтому нитроцементация быстро внедряется в промышленность вместо газовой цементации. Для нитроцементации в шахтных печах применяют жидкий цианизатор-триэтаноламин (C₂H₄ОН)₃N, который вводится в рабочее пространство в виде капель. При температурах 550-950°С он разлагается по реакции:

М(С2Н40Н)₃ -2СН₄ +HCN+3CO+3H2

СН4, HCN и СО обеспечивают получение атомарных С и N. В последние годы начали применять низкотемпературную нитроцементацию) при t= 570-600°C в атмосфере углеродосодержащих газов и аммиака, которая может заменить жидкое азотирование в расплавленных ядовитых цианистых солях.

9.6 Термохимическая обработка

Термохимическая обработка сочетает пластическую деформацию стали в аустенитном состоянии и последующую закалку. Пластическая деформация в этом случае оказывает непосредственное влияние на формирование структуры при фазовом превращении. Такое сочетание обработок позволяет повысить плотность и изменить характер распределения несовершенств кристаллического строения и обеспечить оптимальную структуру и свойства обрабатываемого сплава.

В промышленности используются различные схемы ТМО для стали. Наибольшее распространение получили два способа термомеханической обработки.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Сталь деформируют в аустенитном состоянии при температурах выше точки А_С3. Степень деформации составляет 20-30%. После деформации- немедленно закалка (чтобы не произошла рекристаллизация аустенита), и последующий низкий отпуск. Главная цель- повышение механических свойств. При ВТМО мартенсит наследует сформировавшуюся при горячей деформации субструктуру перекристаллизованного аустенита. При ВТМО машиностроительных углеродистых, низко и среднелегированных сталей достигается следующий уровень механических свойств:

у_в=220-260 кг/мм², у_0,2,=190-220кг/мм², у=7-8%, д=26-40%.

Таким образом при высокой прочности сохраняются хорошие пластические свойства. Степень горячей деформации не должна быть слишком большой, иначе развивается рекристаллизация аустенита, снижающая упрочнением. Для каждой марки стали необходимо подбирать оптимальное сочетание температур, степени и скорости деформации, чтобы получить оптимальные свойства.

Низкотемпературная термомеханическая обработка. При НТМО сталь деформируют в температурной зоне переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400-600°С). Температура деформации должна быть выше точки Мн, но ниже температуры рекристаллизации (рис. 83) .Степень деформации обычно 75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации, с последующим отпуском (100-300⁰С). Предел прочности повышается до 280-330 кг/мм² при д=5-7% и в этом случае причина упрочнения- наследование мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита. Деформация аустенита происходит ниже температуры рекристаллизации возможны очень большие обжатия (при ВТМО это невозможно). Мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита, возникает очень высокая плотность дислокаций (до 10¹³ см ^-2 ) , закрепленных атомами углерода и карбидными частицами, что обуславливает максимальные значения прочности НТМО практически применимо только к легированным сталям, обладающим значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. Внедрение НТМО в производство существенно затрудняется необходимостью использования очень мощного оборудования для обработки давлением (при низких температурах сопротивление деформированию очень высоко). Кроме того после НТМО низко сопротивление распространению трещины (сопротивление хрупкому разрушению), которое является важнейшей характеристикой конструкционного материала.

Тема 10. Общая характеристика легированных сталей

Требуемые свойства в стальном изделии получают добавлением легирующих элементов в сталь при ее выплавке или их введением в поверхностный слой изделия при химико-термической обработке и соответствующей термической обработкой.

10.1 Классификация примесей

Все примеси, содержащиеся в стали, можно разделить на 4 группы:

1 . Постоянные или обыкновенные примеси.

Это невредные примеси: марганец 0,3-0,7% вес, кремний 0,2-0,4% (их введение необходимо при производстве стали для раскисления жидкого металла, причем в кипящей стали кремния мало <0,07%).

К этой же группе относят вредные примеси: серу 0,01-0,04% (попадает самопроизвольно из руды и топлива) и фосфор 0,02-0,05% (из руды). Полностью очистить сталь от вредных примесей трудно.

2. Скрытые примеси. Это водород, кислород и азот, присутствующие в любой стали в малых количествах. В обычных технических условиях на сталь не указывают ограничений на содержание этих газов, по сколько методы их химического анализа в стали очень сложны.

3. Случайные примеси попадают в сталь самопроизвольно из шихтовых материалов. Например, уральские железные руды содержат медь, керченские- мышьяк, переплавляемый металлический лом(скрап) может содержать луженые, оцинкованные никелированные отходы и отслужившие изделия из легированной стали. Содержание хрома в нелегированной стали может достигать 0,1-0,3% и никеля 0,2-0,3%.

Легирующие добавки - элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств. Стали с легирующими элементами называют легированными, а иногда специальными.

Если в сталь ввели 0,1% титана или 0,005% бора специально с целью получения требуемых свойств, то сталь считают легированной, а при добавке марганца сталь будет легированной только в случае заметного превышения его технологически необходимой концентрации (0,7%), например до 1,0% и более.

10.2 Классификация сталей

Сталями называют сплавы, в которых железа содержится более 50вес%. При содержании железа менее 50%, но больше чем любого другого элемента - это сплав на основе железа.

По степени легированности стали делят на:

а.) нелегированные (углеродистые), содержащие только технологические, открытые и случайные примеси (эти стали составляют 2/3 всего тоннажа стали, выплавляемой в стране)

б.) низколегированные стали (малолегированные), содержащие в сумме до 2,5% легирующих элементов,

в.) среднелегированные стали содержат в сумме 2,5-10% легирующих добавок,

г.) высоколегированные стали содержат в сумме более 10% легирующих элементов . Сталь называют хромистой, кремнистой, хромоникелевой и т.д. в соответствии с введенными в нее легирующими добавками.

Часто применяют комплексное(сложное) легирование, т.е. вводят в сталь одновременно 5-6 легирующих элементов.

Существуют и другие способы классификации сталей, например, по структуре после отжига (доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная), по структуре после нормализации (перлитного, мартенситного, аустенитного, ледебуритного класса), по назначению (конструкционная, инструментальная, сталь особого назначения).

Обозначение марок легированной сталей. В большинстве случаев обозначение марки легированной стали начинается с двухзначного (или трехзначного) числа, обозначающего содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 15Г содержит 0,15% углерода. Если марка начинается с однозначного числа, то концентрация углерода выражена в десятых долях процентам например, сталь 5ХНМ содержит 0,5% углерода, нелегированная сталь У8-0,8% углерода.

При концентрации углерода в стали более 1,0% его цифровое обозначение может отсутствовать, например, сталь XI 2 содержит до 2% углерода. Если углерода меньше 0,1%, то марка ;тали может начинаться с нуля(ОХ18Н9Т).

Затем в марке следуют буквальные обозначения легирующих элементов, которые зашифрованы буквами русского алфавита; часто это начальная буква русского или латинского названия элемента или другая характерная буква русского названия или химического символа элемента): Х- хром, Н- никель. Т- титан. К- кобальт, М- молибден, В-вольфрам, Ф-ванадий, С- кремний, Ц,- цирконий. Г- марганец, Д- медь, Ю- алюминий, В- ниобий, Р- бор. А- азот( ставится не в конце марки) ,Ч-редкоземельные элементы, Е-селен, П- фосфор.

Цифры после каждой буквы указывают содержание обозначаемого этой буквой элемента в целых процентах, причем, если концентрация элемента менее или около 1%, то число после буквы не ставят, а если элемента содержится около 1,5%, то ставят единицу: 70Г, Х42Ф 1 .

Тема 11. Классификация сталей по назначению

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин. Конструкционная (машиноподелочная) сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназначаемые для термической обработки у потребителя, объединяются в группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегированными.

Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории: углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д. В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т.е. не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам.

11.1 Конструкционные стали

Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высокими механическими свойствами. При этом сталь должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали -сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали. Возможными способами улучшения (повышения) механических характеристик стали являются: увеличение содержания углерода; легирование:, диспергирование структурных составляющих (путем понижения температуры превращения аустенита в сочетании с отпуском); измельчение зерна:, наклеп. Однако всякое упрочнение, проведенное указанными способами (кроме измельчения зерна и легирования никелем), снижает вязкость (повышает порог хладноломкости и уменьшает работу распространения трещины).

Поэтому при разработке составов конструкционных сталей и режимов их термической обработки нужно рассматривать такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1% С и достигает всего лишь 100 кгс/мм² , тогда как. порог хладноломкости лежит ниже 0°С лишь при содержании углерода не более 0,4%.

Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4%. При этом сталь будет иметь бв =60 кгс/мм ² .

Если предъявить требования свариваемости, то содержание углерода должно быть снижено во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания; прочность при этом снизится до 35 кгс/мм².

Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита ведет к непрерывному повышению твердости и прочности: максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При 0,4% С мартенситная структура имеет твердость около HRC 60 (НВ 650), что соответствует прочности порядка. 20-40 кгс/мм². Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.

Двойная обработка, при которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т.е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказывающей более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).

Такое повышение качества стали в результате двойной термической обработки - закалки и высокого отпуска - называется термическим улучшением).

Оптимальные механические свойства достигаются в результате улучшения (или изотермической закалки), для чего аустенит должен быть при закалке переохлажден до температур образования мартенсита. В углеродистых сталях при применяемых на практике интенсивных закалочных средах (вода) сквозную закалку удается получить в сечениях до -10-15 мм.

Увеличить прокаливаемость термическими средствами (интенсификация охлаждения, выращивания зерна) нецелесообразно, так как возникает опасность получения закалочных дефектов и ухудшения вязких свойств.

Практически остается один способ углубления прокаливаемости -легирование. Было показано, что введение легирующих элементов приведет вначале к улучшению механических свойств (например, порога, хладноломкости) пока при данных условиях (размер деталей, условия охлаждения) не будет достигнута сквозная прокаливаемость, после чего дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит уже к ухудшению свойств. Режим термической обработки конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода.

Рассмотрим применяемые на практике типичные режимы термической обработки для низкоуглеродистой (0,10-0,25% С) и среднеуглеродистой (0,30-0,45% С) сталей. Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке - закалке + отпуску, причем среднеуглеродистые -обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые - низкому.

Режим закалки определяется положением критических точек и способностью аустенита к переохлаждению.

Нагрев под закалку проводят, как правило, до температур, незначительно превышающей (на 30-50°С) точку Асз .У большинства марок конструкционных низкоуглеродистых сталей эта температура находится около 900°С и у среднеуглеродистых - около 850°С. Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах - в масле), так как малая устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (около 600°С) делает необходимым быстрое охлаждение при закалке.

Увеличение содержания легирующих элементов приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита. В конструкционных сталях обычного состава содержание легирующих элементов таково, что становится возможной закалка в масле. В некоторых сталях с несколькими легирующими элементами (например, в хромовольфрамовых или хромоникельмолибденовых, сталях) перлитное превращение аустенита настолько задерживается, что охлаждением деталей больших размеров на спокойном воздухе достигается переохлаждение аустенита до температур мартенситного превращения. Рассматривая условия, которые необходимо создать для охлаждения при закалке легированных конструкционных сталей, мы должны вспомнить еще об одной особенности кинетики распада аустенита сталей, легированных карбидообразующими элементами. В этих сталях (низкоуглеродистых) скорость бейнитного превращения при 300 - 400°С оказывается существенно более высокой, чем скорость перлитного распада 500-600°С). Поэтому при закалке следует ускорять охлаждение в нижнем районе температур (при 300-400°С), чтобы избежать бейнитного превращения.

В виде общего вывода важно заметить, что у легированньк сталей мартенситная структура может быть достигнута более медленным охлаждением, чем у углеродистых; более медленное охлаждение создает меньшие внутренние напряжения, что является фактором, повышающим конструктивную прочность.

Закалка стали на мартенсит - это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения. Отпуск - завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.

В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит.

Отпуск при 150°С снимает (конечно, только частично) внутренние напряжения и несколько повышает пластичность. В лучших сортах низкоуглеродистых легированных сталей при такой термической обработке (закалка + отпуск при 150°С) достигается высокий комплекс механических свойств ( до 130-140 кгс/мм² при ?=50-60% ). Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.

Для среднеуглеродистых конструкционных сталей, у которых после закалки получается мартенсит с большим содержанием углерода, такой отпуск недостаточен, если стремиться получить высокую вязкость.

При низком отпуске прочность будет повышенной (у_в =160-170 кгс/мм², а пластичность и вязкость - низкими. Поэтому для этих сталей необходим более высокий отпуск, который обычно проводят при 550-600°С. При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной феррито-карбидной смеси - сорбита. Механические свойства при этом будут примерно такими же, как и при низкотемпературном отпуске малоуглеродистых сталей т.е.?у _в=120-130 кгс/мм², у = 50-60.

Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств являются: для малоуглеродистых легированных сталей - закалка с 900°С в масле с отпуском при 150° (структура отпущенного мартенсита); для среднеуглеродистых легированных сталей -закалка с 850°С в масле с отпуском при 550-650°С (структура сорбита). В обоих случаях механические свойства, получаются почти одинаковые. Наиболее высокую прочность получают путем ТМО. Технологическое осуществление ТМО, однако, достаточно сложно.

Влияние температуры отпуска и скорости охлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали. Для случая медленного охлаждения после отпуска кривая ударной вязкости имеет два минимума - для отпуска, при 300°С и при 550°С. Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска, называется отпускной хрупкостью. Понижение вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хладноломкое состояние. Различаются два рода отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость 1 рода проявляется при отпуске около 300°С у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Отпускная хрупкости II рода обнаруживается после отпуска, выше 500°С. Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска Однако отпускная хрупкость П рода снова может быть вызвана новым высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные низкоуглеродистые стали, применяемые для изготовления цеметуемых деталей. Как уже указывалось, для этой цели применяют стали с низким содержанием углерода (0,1-0,25%) с тем, чтобы после цементации, закалки и низкого отпуска получить твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Твердость поверхности после такой обработки будет около HRС 60, а сердцевины - порядка HRC 15-30.

В деталях из углеродистой стали вследствие ее слабой прокаливаемости высокую твердость получает лишь поверхностный цементованный слой, а сердцевина не упрочняется.

В легированных же сталях упрочнение сердцевины при термической обработке (закалка +низкий отпуск) будет тем более значительным; чем больше углерода и легирующих элементов они содержат.

Цементуемые стали следует разделять на три группы:

углеродистые стали с не упрочняемой сердцевиной,

низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной,

относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Стали последней группы называют иногда высокопрочными цементуемыми сталями. К ним следует также отнести и стали со сравнительно невысоким содержанием легирующих элементов, но с повышенным содержанием углерода (0,25-0,30%).

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Улучшаемые стали содержат 0,3-0,4% С и разное количество легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний) в сумме не более 3-5%, и часто около 0,1% измельчителей зерна (ванадий, титан, ниобий, цирконий). Обычная термическая обработка таких сталей закалка, в масле и высокий отпуск (660-650°). Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше ее прокаливаемость. Поскольку механические свойства стали разных марок после указанной термической обработки в случае сквозной прокаливаемости близки, то не механические свойства, а прокаливаемость определяет выбор стали для той или иной детали.

Чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует выбирать. Во избежание развития отпускной хрупкости, что особенно опасно для крупных деталей, которые невозможны быстро охлаждать при отпуске, следует использовать стали, содержащие молибден (0,15-0,30%).

Сложные по конфигурации детали, особенно если они подвергаются ударным воздействиям, желательно изготавливать из сталей, содержащих никель. Интенсивность падения свойств при увеличении диаметра термически обрабатываемой заготовки тем меньше, чем более легирована сталь.

Строительная сталь. Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций- мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т.д.. Все строительные стали как правило, являются сварными, и свариваемость- одно из основных свойств строительной стали. Поэтому строительная сталь-это низкоуглеродистая сталь, с С<0,22-0,25 %. Повышение прочности достигается легированием обычно дешевыми элементами марганцем и кремнием. В этом случае и при низком содержании углерода предел текучести возрастает до 40-45 кгс/ мм² (предел прочности до 50-60 кгс/ мм²), а при использовании термической обработки и выше. Простые углеродистые строительные стали-Ст1,Ст2 и СтЗ. Сталь 18Г2АФ имеет феррито-перлитную структуру, но с сильно измельченным зерном благодаря присутствию нитридов ванадия. Измельчение зерна обеспечивает повышение предела текучести примерно на 10кгс/ мм². Сталь Фортивелл имеет состав: 0.2% С; 0,5% Мо; 0,003% В. Легирование молибденом и бором, замедляющими распад аустенита, приводит к получению бейнитной структуры при охлаждении на воздухе. При содержании 0,2% С бейнитная структура имеет предел текучести 45 кгс/ мм² при хорошей пластичности.

Арматурная сталь. Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического профиля) и проволоку.

В предварительно напряженной железобетонной конструкции металл испытывает значительные напряжения, и поэтому в таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или высокопрочную проволоку.

В не напряженных конструкциях применяют стали обыкновенного качества, так как сталь не испытывает больших напряжений (СтЗ, Ст5),а в предварительно напряженных конструкциях-среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали в горячекатанном состоянии, а также упрочненные термической обработкой. Арматурная сталь делится на классы по прочности. Арматурная сталь классов A-I, А-П и A-III применяют для ненапряженных конструкций, а арматурную сталь -более высоких классов- для предварительно напряженных конструкций. Свойства, соответствующие классу A-IV, могут быть получены в горячекатанном состоянии в легированных сталях марок 20ХГЦ или 80С или в простой углеродистой стали марки Ст5 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде, отпуск при 400°С). Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска (300°С), применяемого главным образом для удаления из металла водорода, получает свойства класса A-V. Арматуру. более высоких классов (А-VI- A-VIII) изготавливают только с применением упрочняющей термической обработки.

Для работы при низких температурах лучше применять стали с более низким содержанием углерода или стали после термической обработки.

Пружинная сталь. Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т.д.) определяется ее конструкцией- числом и диаметром витков, длинной пружины. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300-400°С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу содержания углерода как правило, все же более низким, чем у инструментальных. Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска 300°С( применяемого главным образом для удаления из металла водорода сталей)имеет приблизительно 0,5-07%С, часто с добавками марганца и кремния .Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами.

Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800-850° (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400-500°С на твердость HRC 35-45. Это соответствует б_в=130-160 кгс/мм².

Шарикоподшипниковая сталь. Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии). Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. имела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно хромом). Обозначение марки .например ШХ 15 надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая; цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях процента. Хром, как указывалось, вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости. Следовательно, чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали.

Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5 и 22,5 мм и ролики диаметром 10-15 мм- из стали ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15-30 мм- из стали ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщенной стенки свыше 15 мм- из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы- кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.

Термическая обработка деталей шарикоподшипника (шарики, ролики, кольца) состоит из двух основных операций закалки и отпуска. Закалку проводят в масле, температура нагрева 830-840°С с последующим отпуском при 150-160°С в течении 1-2 ч, что обеспечивает получение твердости не ниже НRС 62. Структура должна представлять собой отпущенный очень мелко игольчатый мартенсит с равномерно распределенными избыточными карбидами.

Дефекты легированных сталей. Высокие механические свойства легированных сталей обеспечили им преимущественное применение по сравнению с углеродистыми во многих отраслях специального машиностроения (авиации, автомобилестроении и т.д.). Вместе с тем в легированных сталях чаще появляются различные дефекты, встречающихся, но реже в углеродистых сталях. Часто при самом строгом соблюдении правильно установленных технологических режимов эти дефекты не поддаются полному устранению. Важнейшие из них: отпускная хрупкость, дендритная ликвация и флокены (явление отпускной хрупкости).

Дендритная ликвация. Появление дендритной ликвации обусловлено неравновесной кристаллизацией сплавов. После прокатки или ковки получаются волокна, вытянутые вдоль направления деформации.

Для уменьшения дендритной ликвации прибегают к диффузионному отжигу слитков перед прокаткой, который состоит в длительном нагреве стали при весьма высоких температурах (1000-1200°С).

Флокены. Флокены представляют собой в изломе пятна (хлопья),а в поперечном микрошлифе - трещины. Естественно, что наличие трещин вызывает снижение механических свойств. Трещины - флокены тем более опасны, чем более высокую прочность имеет сталь. Флокены можно устранить последующей ковкой (прокаткой) на меньший размер, так как при этом трещины (флокены) завариваются. Флокены редко обнаруживаются в малых сечениях (диаметром менее 25-30 мм).

Тема 12. Инструментальные стали

Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени. В работе режущее лезвие инструмента тупится, изнашивается. В отличие от изнашивающихся частей деталей машин (валы, кулачки и т. д. ) у режущего инструмента работает на износ очень тонкая полоска металла при значительных давлениях на нее. Чтобы эта полоска металла была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило, выше HRC 60.

Условия работы измерительного инструмента в известной мере приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие составляют лишь значительно меньшие удельные давления на рабочие поверхности.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности. Здесь большую роль играет вязкость. Наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, имеется наилучшее сочетание твердости и вязкости.

Инструментальные стали делятся на четыре категории:

1) пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые);

2) повышенной прокаливаемости (легированные);

3) штамповые;

4) быстрорежущие.

В особую группу инструментальных материалов входят так называемые твердые сплавы, применяемые для инструмента, работающего на ocd6o высоких скоростях резания. Углеродистые и легированные стали применяются для режущего инструмента при легких условиях работы и для измерительного инструмента. Быстрорежущие стали используют для изготовления режущего инструмента, работающего при повышенных режимах.

12.1 Инструментальные стали пониженной прокаливаемости

В эту группу входят все углеродистые инструментальные стали, а также стали с небольшим содержанием легирующих элементов и поэтому не сильно отличающиеся от углеродистых по прокаливаемости. Важнейшее технологическое свойство слабая прокаливаемость - объединяет эти стали в одну группу.

Все стали указанной группы должны закаливаться в воде, и инструмент из этих сталей имеет, как правило, незакаленную сердцевину. Это следует учесть при выборе стали на инструмент, при его конструировании, проведении термической обработки и эксплуатации. Углеродистые инструментальные стали подразделяются на марки У 7, У 8, У 9, У10, У11, У12, У 13. Буква У показывает, что это сталь углеродистая, цифра- среднее содержание углерода в десятых долях процента (значит, сталь У7 содержит около 0, 7% С; У8- около 0, 8% С и т. д. ). Приведены легированные стали, отличающиеся некоторым повышением содержания марганца и введением около 0, 5% Сг (стали марок ХО6, Х05, 85ХФ).

12.2 Инструментальные стали повышенной прокаливаемости (легированные инструментальные стали)

В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3% и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью. Инструмент из этих сталей закаливается в масле (при ступенчатой закалке- в соли) и прокаливается, как правило, насквозь.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, к чему склонны углеродистые инструментальные стали. Это важно для многих видов инструментов, имеющих сложную конфигурацию. В I группу входят обычные легированные инструментальные стали, в которых присадка 1, 0-1, 5%Сг обеспечивает повышение прокаливаемости. Добавка кремния дает некоторое дополнительное увеличение прокаливаемости, а также повышает устойчивость против отпуска, что обеспечивает лучшую работоспособность инструмента. Группа II легированных сталей характеризуется повышенным содержанием марганца (при нормальном содержании кремния). Это приводит при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и уменьшению деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися инструментальными.

В группу III входят высокотвердые стали, легированные вольфрамом, из которых сталь ХВ5 называется алмазной. Из-за худшей прокаливаемости по сравнению со сталями групп I и П эти стали можно отнести и к категории сталей пониженной прокаливаемости.

12.3 Быстрорежущие стали

Под быстрорежущими понимаются стали, предназначаемые для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна в первую очередь обладать высокой горячей твердостью и красно стойкостью. Температура разогрева инструмента зависит от условий резания. Чем производительнее работает инструмент, тем больше стружки он снимает в единицу времени; чем выше сопротивление материала отделению стружки, тем сильнее разогревается его режущая часть. В наиболее нагретой части резца температура достигает 600-700°С. Если под действием этой температуры сталь инструмента не размягчается, инструмент долгое время сохраняет износостойкость и режущие свойства.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Твердость углеродистой стали выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже. Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах. Иначе говоря, быстрорежущая сталь должна устойчиво сохранять твердость в нагретом состоянии, это называется красностойкостью.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы этот процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого углерода, но и диффузия легирующих элементов.

Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Наиболее распространенной быстрорежущей сталью является сталь Р18(0, 7%С; 18%W; 4%Cr и1%V), а также сталь Р6М5 (0, 9%С; 6%W; 5%Mo; 4%Cr; 2%V). Все быстрорежущие стали обозначают буквой Р (скорость), цифры после этой буквы показывают содержание основного легирующего элемента-вольфрама, а для вольфрамомолибденовых сталей и содержание молибдена. При высоком содержании ванадия среднее содержание его также отмечается в марочном обозначении цифрой после буквы Ф, а содержание кобальта буквой К и соответствующими цифрами. Хрома во всех сталях содержится около 4%, а углерода- в соответствии с содержанием ванадия (чем больше ванадия, тем больше углерода).

...