Углеродистые стали.

---

Углеродистые стали.

Согласно действующей по ГОСТ классификации, сталь по химическому составу делится на две группы: углеродистую и легированную.

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2 %) с примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства стали, является углерод. Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe – до 99,0; С – 0,05 – 2,0; Si – 0,15 – 0,35; Mn – 0,3 – 0,8; S – до 0,06, Р – до 0,07.

Классификация углеродистых сталей. Углеродистые стали, классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (менее 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200º С) деформирования.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 %P, качественные – не более 0,04 % S и 0,035 % P, высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 %P.

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 %С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

Влияние примесей стали на ее свойства.

Кремний – увеличивает прочность, износостойкость и придает упругие и антифрикционные качества. При содержании более 2 % снижает пластичность. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуру закалки, нормализации и отжига.

Марганец – повышает прокаливаемость и механические, в особенности упругие, свойства. При содержании более 1,5 % сообщает склонность к отпускной хрупкости. При содержании около 13 % и выше придает стали аустенитную структуру, противоударную стойкость, высокую износостойкость при сухом трении. При нагреве способствует росту зерна.

Сера является вредной примесью. Сера находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает, стали хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.

Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется иногда для улучшения обрабатываемости на станках.

Фосфор является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe₃P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зерен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость).

Влияние углерода на свойства углеродистых сталей.

Главным элементом стали, является углерод. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

К низкоуглеродистым относятся, стали, содержащие до 0,25 % С. Это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии стали.

Среднеуглеродистые стали содержат 0,3 – 0, 6 % С. Они обладают хорошими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Стали с таким содержанием углерода являются широко распространенным конструкционным материалом для деталей, работающих в условиях обычных силовых нагрузок.

Высокоуглеродистые стали содержат свыше 0,6 % С (до 1,3 – 1,4 %), за счет чего они обладают высокой твердостью и очень низкой пластичностью и вязкостью.

Стали с содержанием углерода более 0,7 % в основном используются в штампово-инструментальном производстве холодного и горячего деформирования. Кроме того, из этих сталей изготавливают режущий и мерительный инструменты.

С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, а пластичность и вязкость снижаются.

Маркировка углеродистых сталей и их применение.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-90) выпускаются в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, швеллеры и т.п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяются на группы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки (чем больше условный номер стали, тем больше содержание углерода и перлита в ней и тем выше ее прочность и ниже пластичность). Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам.

Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные – 0,12 – 0,30, полуспокойные – 0,05 – 0,17, кипящие – менее 0,07 %, например Ст3сп, БСт3пс или ВСт3сп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 – Ст6, кипящими – Ст1 – Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, без указания химического состава. Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки, при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).

Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1 – 4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергают цементации.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.

Углеродистые качественные стали.

В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. содержание серы и фосфора в них допускается в пределах 0,03 – 0,04 % каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20, …, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К углеродистым сталям относятся так же стали с повышенным содержанием марганца (0,7 – 1,0 %) марок 15Г, 20Г, …, 70Г, имеющих повышенную прокаливаемость (до 25-30мм).

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие – с индексом соответственно «пс» и «кп». Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количества кремния, что их делает очень мягкими. Их используют в автомобилестроении для изготовления деталей сложной формы.

Спокойные стали 08, 10 применяют в отожженном состоянии для конструкций невысокой прочности – емкости, трубы и т.д.

Стали марок 10, 15, 20 отличаются высокой пластичностью, хорошо свариваются, куются, штампуются. Они подвергаются цементации. Прочность этих сталей недостаточна высока. Из них делают мелкие детали простой формы: оси, валики, шпильки, гайки, втулки, трубы.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца 30Г, 40Г и 50Г в нормализованном состоянии отличаются повышенной прочностью, но соответственно меньшей вязкостью и пластичностью. В зависимости от условий работы деталей из этих сталей к ним применяют различные виды термической обработки: нормализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др. Эти стали применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85, а также с повышенным содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г в основном используют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью.

Автоматные стали.

Эти стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора. Оба этих элемента повышают стойкость инструмента. Автоматные стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС». Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2-3 раза сократить расход режущего инструмента.

Стали А11, А12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.

Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Свинецсодержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя.

Инструментальные углеродистые стали.

Инструментальной углеродистой называется сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твердостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественные – (У7, У8, У9, …, У13) и высококачественные – (У7А, У8А, У9А,…, У13А).

Буква А в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку, и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Стали У7 и У7А используют для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, молотки, инструменты по дереву и т.д.).

У8 и У8А – для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (кернеры, матрицы, ножи и ножницы по металлу, отвертки и т.д.).

У9, У9А – для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости.

У10, У10А – для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (фрезы, метчики, развертки, строгальные резцы и т.д.).

У11, У11А, У12, У12А – для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, шаберы, фрезы, сверла, острый хирургический инструмент, пилы по металлу и т.д.).

У13, У13А – для инструментов, которые должны иметь исключительно большую твердость – бритвы, шаберы, волочильный инструмент и др.

Недостатком инструментальной углеродистой стали является потеря прочности при нагреве выше 200ºС (отсутствие теплостойкости). Инструмент, изготавливаемый из этих сталей, принимают для обработки сравнительно мягких материалов при небольших скоростях резания.

Легированные стали.

Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легирующие элементы, резко улучшающие ее свойства.

Легирующие элементы и их влияние на свойства стали.

Хром – карбидообразующий элемент. Повышает прокаливаемость. Способствует получению твердых и износостойких рабочих поверхностей. При содержании более 12 % придает высокие антикоррозионные и жаростойкие качества. Недостаток – повышает склонность стали к отпускной хрупкости.

Никель – увеличивает прокаливаемость, в особенности в сочетании с хромом. Способствует повышению прочности и коррозионной стойкости при высоких температурах. В результате закалки обеспечивает получение мелкозернистой структуры, отличающейся повышенной прочностью, высокой пластичностью и вязкостью.

Вольфрам – эффективный карбидообразующий элемент. Главнейшее положительное качество – обеспечение после закалки и отпуска высокой твердости (HRC 64 – 66). Вольфрам препятствует росту зерна при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Благодаря высокой твердости широко применяется в инструментальных сталях и сплавах.

Ванадий – эффективный карбидообразующий элемент. В малых количествах способствует получению мелкозернистой структуры и повышению вязкости стали. Способствует сохранению твердости при отпуске. Один из немногих элементов улучшающих свариваемость.

Кремний – при содержании 1 – 1,5 % увеличивает прочность, причем вязкость сохраняется. Кремний увеличивает упругость, кислотостойкость, окалиностойкость.

Марганец – при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

Кобальт – повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Молибден – эффективный карбидообразующий элемент. Повышает прокаливаемость. Снижает склонность к отпускной хрупкости. Обеспечивает получение равномерной мелкозернистой структуры, сообщает стали высокую прочность, пластичность и вязкость.

Титан – эффективный карбидообразующий элемент. Способствует получению мелкозернистой структуры, в особенности в сочетании с хромом и марганцем. В результате закалки обеспечивает высокую твердость рабочих поверхностей деталей. Повышает коррозионную стойкость.

Ниобий – улучшает кислотостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий – повышает жаростойкость и окалиностойкость. Измельчает зерно. Повышает ударную вязкость.

Медь – увеличивает антикоррозионные свойства.

Редкоземельные элементы.

Церий – повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий – оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий, неодим уменьшают пористость, улучшают качество поверхности, способствуют уменьшению содержания серы в стали, измельчают зерно.

Классификация легированных сталей.

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей.

По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидны, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит и или вторичные карбиды (М₃С, где М – металл). В структуре ледебуритных сталей присутствует эвтектика (ледебурит). По структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (меньше 2 % С) и возможности подвергать пластической деформации.

Классификация по структуре после нормализации предполагает разделение сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Такое подразделение обусловлено тем, что с увеличением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области; одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита в относительно малолегированных сталях до мартенсита (в легированных) и аустенита (в высоколегированных).

Классификация по химическому составу.

- в зависимости от вводимых элементов (хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

- по общему количеству легирующих элементов.

· низколегированные ( до 2,5 % легирующих элементов)

· легированные (от 2,5 до 10 %)

· высоколегированные (более 10 %)

- по качеству.

Качество стали – это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность.

· качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % Р)

· высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % Р)

· особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,026 % Р).

- по назначению.

· конструкционные

· инструментальные

· с особыми свойствами

Маркировка легированных сталей.

Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся цифры, указывающие содержание углерода: для конструкционных сталей две цифры впереди марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных сталей одна цифра в начале марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1 % и выше. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П. – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1 – 1,5 % и менее цифра отсутствует). Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные – буквой Ш, помещенными в конце марки. Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. Некоторые группы сталей специального назначения содержат дополнительные обозначения. При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2, где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 – среднее содержание углерода в десятых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5К8Ф2). Маркировка электротехнических сталей, выплавляемых на заводе «Электросталь» начинается с буквы Э. Опытные стали первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки, например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33 (10Х11Н23Т3МР).

Таблица.3. Примерное назначение некоторых конструкционной стали

Марка стали	Характеристика	Примерное назначение
	Углеродистая качественная сталь
08, 10	Детали, штампуемые в холодном состоянии; сварные детали; детали, подлежащие цементации и цианированию	Тяги, втулки, прокладки, втулки
20	Детали неответственного назначения; сварные и штампованные детали невысокой прочности; термически необработанные детали.	Штуцеры, стержни, вкладыши, втулки, оси, крепежные детали
25	Детали, изготовляемые ковкой, а так же подвергаемые термической обработке	Оси, валы, муфты, болты, шайбы, фланцы, крепежные детали
40	Детали повышенной прочности, подвергаемые термической обработке	Шестерни, шатуны, оси, валы
50, 55	Детали высокой прочности	Шестерни, прокатные валки, ленточные пружины.
35Г2	Детали, подвергающиеся средним напряжениям	Коленчатые валы автомобилей, цапфы, полуоси
	Низколегированная сталь
35ХГС	Обладает большой прокаливаемостью	Крупные валы сельскохозяйственных машин, детали, работающие на износ
45Г2, 50Г2	Обладают повышенной прочностью и износостойкостью	Оси, валы, рычаги, стойки и др.
	Легированная сталь
15Х, 20Х	Для деталей подвергаемых закалке, цементации и работающих в условиях износа при трении	Втулки, пальцы, валки, шестерни, толкатели
35Х,40Х	Для деталей высокой прочности и вязкости	Валы, оси, коленчатые валы, шестерни, болты, шпильки
40ХН, 50ХН	Для крупных деталей ответственного назначения	Коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны, болты

Таблица.4. Примерное назначение некоторых специальных сталей и сплавов

Марка стали или сплава	Характеристика	Область применения
	Хромистые нержавеющие стали
Х13, 2Х13	Наибольшую коррозионную стойкость получают после термообработки	Клапаны гидравлических прессов, турбинные лопатки, предметы домашнего обихода
2Х17Н2	Обладает повышенной твердостью	Для тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах на удар и истирание
9Х18	Обладает высокой износо- и коррозионной стойкостью	Шарикоподшипники высокой твердости, втулки и другие детали, подвергаемые износу в агрессивных средах
	Сплавы с высоким омическим сопротивлением
Х13Ю4, Х15Н60	Обладают высоким электросопротивлением и удовлетворительной пластичностью	Проволоки и ленты для бытовых приборов
	Сплавы с аномальным тепловым расширением
36Н ( инвар)	Не упрочняются под воздействием термообработки	Детали машин и приборов которые должны сохранять постоянство размеров при нагреве до 100ºС
35НКТ		То же и высокую твердость
	Сплавы с заданными упругими свойствами (элинвары)
36НХ11	Деформационно-твердеющие сплавы; обладают высокой коррозионной стойкостью	Упругие чувствительные элементы, работающие в слабо агрессивной среде
42НХТЮА	Дисперсионно- твердеющие сплавы; обладают малым температурным коэффициентом модуля упругости, ферромагнитны	Волосковые спирали часов
44НХТЮ		Мембраны, плоские спиральные и цилиндрические пружины

Термическая обработка стали и чугуна.

Термической обработкой называется тепловая обработка, в результате которой изменяется структура и физико-механические свойства металлических сплавов.

Термической обработке подвергаются как заготовки, так и готовые детали. Заготовки обычно подвергаются термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости, а обрабатываемые детали – для придания им требуемых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др. В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки деталей машин и изделий позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и вес деталей и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий.

Научные основы термической обработки были заложены исследованиями выдающегося русского ученого Дмитрия Константиновича Чернова в середине XIX века. В результате коллективного труда многих ученых, развивающих идеи Д.К.Чернова, мы имеем весьма точную диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов (см. Диаграмма состояния системы «железо – углерод» (Рис.37.)).

Цель термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением получить требуемое изменение строения металла.

На результат термической обработки оказывают влияние следующие факторы: скорость нагрева, температура нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения. Таким образом, основными факторами термической обработки являются температура и время.

Основными операциями термической обработки, общими как для стали и чугуна, так и для цветных металлов, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Термическая обработка, может быть, простой и состоять только из одной операции и сложной, состоящей из нескольких операций.

Превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью перевод ее структуры в аустенит. Структура доэвтектоидной стали при нагреве до точки Ас, состоит из зерен феррита и перлита.

В точке Ас₁ начинается фазовая перекристаллизация перлита, который превращается в мелкозернистый аустенит. При нагреве стали от температуры Ас₁ до температуры Ас₃ феррит растворяется в аустените. В заэвтектоидной стали при нагреве выше точки Ас₁ перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве цементит растворяется в аустените. Выше точки Ас_m сталь состоит только из аустенита, неоднородного по химическому составу. В тех местах где был цементит, аустенит богача углеродом, а там, где был феррит, – беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры немного выше верхней критической точки Ас₃ мелкие зерна аустенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются. Величину зерен определяют путем сравнения микроструктуры стали (при увеличении в 100 раз) со стандартной шкалой. Зерна с номера 1 по 4-й считаются крупными, а с 5-го по 10-й – мелкими (Рис.49.).

.

Аустенит устойчив только при температурах выше 727º С. При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Аr₁ начинается распад аустенита. Как уже было

сказано (см. Диаграмма состояния системы «железо – углерод»), при медленном охлаждении эвтектоидной углеродистой стали (0,81 %углерода) при температуре, соответствующей линии PSK, происходит превращение аустенита в перлит. Кристаллическая решетка – железа перестраивается в – железо, выделяется цементит.

Рис.50. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8% углерода

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т.е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например до 700, 600, 500, 400, 300ºС и т.д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от 727 до 250ºС (температура начала мартенситного превращения – Мн).

На диаграмме (см. диаграмму изотермического превращения (Рис.50.)) видны две С-образные кривые. Кривая I указывает время начала превращения, кривая II- время конца превращения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700ºС превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке в, в результате этого процесса образуется перлит. При 650ºС распад аустенита происходит между точками а₁ и в₁ . в этом случае образуется сорбит.

Рис.51. Микроструктуры.

Сорбит – механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от перлита более тонким строением. Магнитен. Образуется при ускоренном охлаждении при распаде аустенита в интервале температур 600-700ºС или при отпуске мартенсита. НВ 270-320 (30-40 HRC) (Рис.51.). Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью. При охлаждении стали до 550ºС (точка начала и конча распада а₂ и в₂ соответственно) аустенит превращается в троостит.

Троостит – механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от сорбита еще более высокой степенью дисперсности. Магнитен. Образуется при ускоренном охлаждении при распаде аустенита в интервале температур 400 – 600ºС , а также при отпуске мартенсита. НВ 330-400 (40-45 HRC) (Рис.51.). Обладает достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.

Ниже температуры 550ºС в результате промежуточного превращения аустенита (в температурном интервале, расположенном ниже перлитного но, выше мартенситного превращения) образуется структура бейнита, состоящая из смеси перенасыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита).

Различают верхний бейнит (перистого строения), появляющийся при 500-350ºС, и нижний (пластинчатого, игольчатого строения), образующийся при 350-250ºС.

Верхний бейнит имеет пониженную прочность, невысокую пластичность и вязкость, твердость его 43-46 HRC. У нижнего бейнита показатели прочности, пластичности и вязкости более высокие, твердость 52-55 HRC. Превращение аустенита при температурах Аr – 550ºС называют перлитными, при температурах 550ºС – Мн – промежуточными и при температурах Мн – Мк – мартенситными.

При медленном охлаждении аустенит превращается в перлит. При большей скорости охлаждения переохлажденный аустенит полностью перейдет в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения образуется новая структура – троостит. При очень больших скоростях охлаждения образуется мартенсит.

Мартенсит – перенасыщенный твердый раствор углерода в – железе (Рис.52.), полученный из аустенита в результате бездиффузионного превращения (перестройки кристаллической решетки - железа без изменения концентрации углерода). Микроструктура игольчатого вида. Образуется в процессе быстрого охлаждения при температуре ниже 250 -200ºС. НВ 500-700.

При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную решетку - железа. Избыточное содержание углерода находящегося в - железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице, как у куба.

Рис.52.Элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита

Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали. Скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической.

Мартенситные превращения протекают при непрерывном охлаждении аустенита ниже точки Мн. по достижении определенной температуры (точка Мк) превращение аустенита в мартенсит заканчивается. Температуры в точках Мн и Мк зависят от химического состава стали. Углерод и легирующие элементы (за исключением алюминия и кобальта) понижают эти температуры.

Мартенсит обладает самой высокой твердостью, наряду со значительной хрупкостью. Он имеет пластинчатое строение, но в плоскости микрошлифа пластинки приобретают вид игл, поэтому мартенсит часто называют игольчатым (Рис.53.).

Рис.53.

У многих сталей температура в точке Мк ниже комнатной, поэтому распад аустенита не заканчивается, если сталь охлаждается только до комнатной температуры. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре, наряду с мартенситом, называют остаточным. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые его почти не имеют.

Мартенсит, получаемый при закалке стали, представляет собой неустойчивую структуру, стремящуюся к превращению в более равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов при этом сильно возрастает.

Отжиг стали.

Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения в стали получают устойчивую (равновесную) структуру, свободную от остаточных напряжений.

Отжиг стальных изделий имеет целью снятие внутренних напряжений, устранение структурной неоднородности, улучшение обрабатываемости резанием и подготовку к последующей термической обработке.

Отжиг первого рода. Это отжиг, при котором, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты.

Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный (диффузионный), низкий и рекристаллизационный.

Гомогенизационный отжиг, или гомогенизация, применяется для выравнивания химической неоднородности (за счет диффузии) зерен твердого раствора, т.е. уменьшения микроликвации в фасонных отливках и в слитках главным образом из легированной стали.

В процессе гомогенизации слитки нагревают до 1100–1200 ºС, выдерживают при этой температуре 8 -15 часов, а затем медленно охлаждают до 200-250 ºС. Продолжительность отжига 80-110 часов.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформированную в холодном состоянии. Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становиться мало пластичной и дальнейшая деформация становится невозможной. (После ковки холодного металла заметно возрастает его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп». Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т.е. повышение прочности и твердости, сопровождающееся уменьшением пластичности.) Для возвращения стали пластичности, и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристаллизационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной стали до температуры 400-450 ºС изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается (Рис.54.).

.

Рис.54. Влияние температуры отжига на механические свойства деформированного металла

Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформированных зерен совсем не останется.

Под температурой рекристаллизации подразумевается та температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен. Для ускорения процесса рекристаллизации, холоднодеформированные металлы и сплавы, нагревают до более высоких температур, например углеродистую сталь до 600-700 ºС.

Низкий отжиг. Если структура стали после горячей механической обработки хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, внутренние напряжения, то нагревают сталь ниже Ас₁ . Нагрев осуществляется со скоростью 100-150 град/час, а после выдержки – охлаждение на воздухе. Углеродистые и легированные стали подвергают низкому отжигу перед обработкой резанием, волочением и т.д.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения (перекристаллизация) определяют его целевое назначение.

Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный отжиг, неполный отжиг, изотермический отжиг.

Полный отжиг. При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше Ас₃ на 30-50 ºС (Рис.55.), выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. В этом случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при медленном охлаждении превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация.

На практике скорость нагрева обычно близка к 100 град/час, а продолжительность выдержки колеблется от 0,5 до 1 часа на тонну нагреваемого металла. Чрезмерное повышение температуры нагрева металла над точкой Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

Основные цели полного отжига: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (сварка, литье, горячая деформация, термообработка), смягчение стали перед обработкой резанием и снятие внутренних напряжений.

Неполный отжиг. Неполный отжиг заключается в нагреве выше Ас₁ (Рис.55.) и медленном охлаждении. При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей.

Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если предварительная горячая обработка не привела к образованию крупного зерна.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называется также отжигом сфероидизации. В результате отжига сфероидизации получают структуру – зернистый перлит. Охлаждение при сфероидизации должно быть медленным, чтобы обеспечить распад аустенита на ферритно-карбидную смесь.

Стали со структурой зернистый перлит менее склонны к перегреву, образованию трещин и деформации при последующей закалке, а также хорошо обрабатываются резанием.

Изотермический отжиг. На практике с целью экономии времени часто проводят изотермический отжиг. В этом случае сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры лежащей ниже Ас₁ на 50-100 ºС. При этой температуре сталь выдерживается до полного распада аустенита, после чего охлаждается на воздухе. Изотермический отжиг часто применяют для легированных сталей, так как он сокращает продолжительность процесса.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного и неполного отжига с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом.

Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, проволоки и т.д., а также для деталей, подвергаемых гальваническим покрытиям с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Рис.55.

Нормализация.

Нормализацией называется нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше Ас₃ (Рис.55.) , а заэвтектоидной – выше Асm на 50-60 ºС с последующем охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке.

В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а следовательно, повышается дисперсность смеси.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. В результате твердость немного возрастает, но улучшается качество поверхности при резании.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделия по сравнению с получаемой при закалке.

Высокоуглеродистые (заэвтектоидные) стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки.

Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей.

Закалка.

Закалкой называется операция термической обработки, состоящая в нагреве до температур выше (Рис.56.) верхней критической точки Ас₃ доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки Ас₁ заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и пр.).

Закалкой можно считать такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру (сорбит, троостит, бейнит, мартенсит) что, прежде всего, выражается в повышении твердости стали.

Закалкой достигается повышение прочности конструкционных сталей и придание режущей способности инструментальной стали. Температура нагрева стали перед закалкой зависит в основном от химического состава стали. При закалке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры, лежащей на 30-50 ºС выше точки Ас₃. В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется полной.

Максимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки.

Рис.56. Интервал закалочных температур углеродистой стали

При нагреве доэвтектоидной стали до температур, лежащих в интервале Ас₁- Ас₃, в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество феррита, снижающего твердость закаленной стали. Такая закалка называется неполной. Для заэвтектоидной стали наилучшая температура закалки – на 29-30 ºС выше Ас₁, т.е.неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении будет способствовать повышению твердости, так как твердость цементита больше твердости мартенсита. Нагрев заэвтектоидной стали до температур выше Ас_m излишен, так как твердость получается меньшей, чем при закалки с температуры Ас₁, за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напряжения.

Скорость охлаждения оказывает решающее влияние на результаты закалки.

Для каждой стали существует критическая скорость закалки, чем ниже эта скорость, тем легче закалить сталь. Фактическая скорость охлаждения при закалке должна быть меньше критической, иначе мартенсит в структуре стали либо не образуется совсем, либо образуется частично, тогда структура стали будет состоять в основном из троостита или сорбита. Однако не следует охлаждать сталь со скоростью, значительно превышающей критическую. При таком охлаждении сталь будет иметь структуру мартенсита, но чрезмерно резкая закалка может привести к весьма значительным внутренним напряжениям и трещинам.

Различна скорость охлаждения изделий при закалке достигается за счет применения охлаждающих жидкостей: воды, масла, растворов солей в воде и др. При охлаждении в жидкости изделие отдает часть своей теплоты соприкасающейся с ним жидкости, превращающейся в пар. Теплота, расходуемая на образование пара, называется скрытой теплотой парообразования. Чем выше теплота парообразования, тем выше закаливающая способность жидкости, так как изделие, отдавая большое количество тепла на образование пара, будет быстрее охлаждаться.

Самая распространенная закалочная среда – вода. Ее охлаждающая способность зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше ее закалочная способность. Обычно при закалке применяется вода с температурой 20-30 ºС.

Так же в качестве закалочной жидкости используют 5-10-процентный раствор едкого натра или поваренной соли в воде. Вода, в которой растворены хлористый натрий или едкий натр, имеет более высокую скрытую теплоту парообразования. Частицы соли, соприкасаясь с раскаленным металлом, взрываются и разрушают паровую рубашку, тем самым, увеличивая закаливающую способность воды.

Широкое распространение в качестве охлаждающей среды получило минеральное масло, преимущественно индустриальное. Масло, подогретое до 50-60 ºС, обладает более высокой закаливающей способностью, чем холодное. Это объясняется тем, что при нагреве масло становится менее вязким, его паровая рубашка разрушается быстрее.

Закалочная способность масла при 550-650 ºС в 4 – 5 раз меньше, чем холодной воды, однако при 200-300 ºС масло охлаждает изделие в 10 раз медленнее, чем вода, поэтому при закалке изделий в масле значительно уменьшается опасность их коробления и появления трещин.

Виды закалки стали.

Выбор способа закалки зависит от, состава стали из которой изготовлена деталь, ее размеров и формы.

Закалка в одном охладители. (кривая охлаждения 1) (Рис.57.) деталь нагретую до закалочной температуры погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Данный вид закалки применяют для деталей простой формы из углеродистой и легированной стали. В качестве охлаждающей жидкости для углеродистых сталей применяют воду, легированные стали охлаждают в масле.

Рис.57.

Закалка в двух средах (кривая охлаждения 2) (Рис.57.) широко применяется для инструмента из высокоуглеродистой стали. Сущность способа состоит в то, что деталь вначале охлаждают в воде, до температуры немного выше Мн (температура начала мартенситного превращении), а затем переносят в масло или другую охлаждающую среду, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатая закалка (кривая охлаждения 3) (Рис.57.) выполняется путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне температура которой немного выше температуры мартенситного превращения (240-250 ºС). Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали. Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Изотермическая закалка (кривая охлаждения 4) (Рис.57.) проводится так же, как ступенчатая, но с более длительной выдержкой при температуре горячей ванны – для обеспечения полного распада аустенита. В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольчатого троостита, с твердостью НRС 45-55 и с сохранением небольшой пластичности. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли: 55 % KNO₃ + 45 % NaNO₂ (температура плавления 137 ºС), и 55 % KNO₃ + 45 % NaNO₃ (температура плавления 218 ºС).

Светлая закалка стальных деталей производится в специально оборудованных печах с защитной атмосферой.

Так же для получения чистой и светлой поверхности применяют ступенчатую закалку с охлаждением в расплавленной едкой щелочи. Деталь нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при температуре на 30-50 ºС выше точки Ас₁ и охлаждают при температуре 180-200 ºС в ванне, состоящей из 75 % едкого калия и 25 % едкого натра с добавлением 6-8 % воды (от веса всей соли). Такая смесь имеет температуру плавления 145 ºС и благодаря наличию воды обладает очень высокой закаливающей способностью.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекают из нее с целью сохранения в сердцевине изделия некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончательно охлаждают в закалочной жидкости. Закалка с самоотпуском применяется для различного инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Отпуск стали.

Отпуском называется операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем медленном или быстром охлаждении.

Отпуск имеет целью устранение или уменьшение напряжений в стали, повышение вязкости и понижение твердости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 80-200 ºС, выдержки при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Этот отпуск снижает внутренние напряжение в стали при сохранении высокой твердости (58-63 HRC). Он применяется преимущественно для инструмента из углеродистой и низколегированной стали, а также для деталей, подвергаемых поверхностной закалке, цементации и нитроцементации, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости.

Средний отпуск осуществляется при температурах 350-500 ºС. Целью этого отпуска является получение структуры троостита. Твердость стали заметно понижается (40-50 HRC), предел упругости достигает максимальной величины. Средний отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости.

Высокий отпуск производится при температурах 550-680 ºС.

Сталь при этом приобретает структуру сорбита. Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1,5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения полностью снимаются. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь по сравнению с отожженной или нормализованной имеет более высокие показатели прочности, пластичности и вязкости.

Старение – это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. В результате старения прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость снижаются. Старение приводит к изменению размеров и короблению изделий. Если старение протекает при комнатной температуре, его называют естественным, если при повышенной температуре – искусственным. Известны два вида старения: термическое и деформационное. Термическое старение происходит в результате изменения растворимости углерода в - железе в зависимости от температуры. Деформационное строение протекает в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. Процесс этого старения длится 15 суток и более при комнатной температуре и всего несколько минут при температурах 200-350 ºС.

Искусственное старение закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий производится после предварительной механической обработки при 100-180 ºС с выдержкой в течении 18-35 часов и медленным охлаждением. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе под навесом, где на изделия воздействуют температурные изменения, влажность и давление воздуха. Оно длится от 3 месяцев до 2 лет. Результатом естественного старения является снижение внутреннего напряжения, стабилизация размеров и геометрической формы изделия.

Обработка стали холодом.

В некоторых сталях – углеродистых (при содержании более 0,4-0,5 % углерода) и легированных – в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита – 3-12 %, а в быстрорежущих – 35 % и более. Это объясняется тем, что температура конца мартенситного превращения (Мк) указанных сталей ниже нуля градусов, а при закалке охлаждение производится только до комнатной температуры. Остаточный аустенит в стали снижает ее твердость и при постепенном самопроизвольном распаде вызывает изменение размеров детали из этой стали. Закаленные стали, в структуре которых имеется остаточный аустенит, подвергают охлаждению до температур ниже нуля градусов. Под действием отрицательных температур остаточный аустенит перестраивается в мартенсит, что способствует повышению твердости, улучшению магнитных характеристик, стабилизации размеров, повышению стойкости и усталостной прочности изделий. Твердость после обработки холодом возрастает на 1-5 HRC и более.

Необходимую температуру получают с помощью сухого льда (твердая углекислота), жидкого кислорода или жидкого воздуха. Термообработку с применением холода осуществляют по схеме: закалка – обработка холодом – низкий отпуск.

Термомеханическая обработка стали.

Термомеханической обработкой называется процесс, при котором термическая обработка совмещается с обработкой давлением. При такой обработке сталь нагревают до температуры выше критической точки Ас₃ и выдерживают при этой температуре с последующей пластической деформацией аустенита для получения в нем особой мартенситной структуры.

Термомеханическая обработка способствует повышению механических свойств стали.

Дефекты термической обработки и меры их предупреждения.

Дефекты при отжиге могут возникать вследствие неправильного хода нагрева, применения слишком высоких или слишком низких температур, чрезмерной продолжительности нагрева, из-за неподходящей атмосферы в печи и неправильного режима охлаждения.

Недогрев – дефект, образующийся при нагревании стали до температуры ниже критической, что приводит к снижению ее прочности, твердости и пластических свойств. Этот дефект устраняется отжигом или нормализацией с последующей повторной термической обработкой.

Перегрев – дефект, являющийся следствием нагревания стали до температуры намного выше критической или чрезмерно большой выдержки при заданной температуре. Из-за перегрева получается крупноигольчатый мартенсит, механические свойства которого ниже мелкоигольчатого. Перегретую сталь отжигают и вновь подвергают закалке.

Окисление и обезуглероживание – дефекты, являющиеся результатом химических реакций, происходящих при нагреве стали между поверхностным слоем металла и кислородом окружающей среды. Эти процессы оказывают отрицательное влияние на конструктивную прочность изделий, приводят к потерям металла на угар, обуславливают необходимость увеличение припусков для последующей механической обработки. Применяют ряд способов предохранения стальных изделий от окисления и обезуглероживания при нагреве (нагрев в печах с контролируемой атмосферой, нагрев в расплавленных солях, нагрев в ящиках наполненных чугунной стружкой и т.п.).

Коробление и образование трещин – наиболее распространенные дефекты, являющиеся следствием возникновения в деталях больших внутренних напряжений, связанных с изменением их объема при закалке. Объемные изменения и сопровождающее их внутренние напряжения обусловлены двумя причинами. Первая причина – быстрое и резкое охлаждение изделий при закалке, в результате чего объем их различных слоев изменяется неравномерно. Другая причина появления закалочных трещин и коробления – изменение объема изделий при превращении аустенита в мартенсит. Из всех структурных составляющих стали, аустенит имеет наименьший объем, а мартенсит – наибольший. Так как при закалке аустенит переходит в мартенсит не одновременно по всему сечению изделия, в нем возникают внутренние напряжения. В тех местах изделия, где внутренние напряжения выше предела прочности стали, появляются трещины. Если внутренние напряжения значительны, но не достигают предела прочности стали, происходит коробление изделия.

Одним из способов уменьшения внутренних напряжений при закалке является предварительная подготовка изделия путем – отжига, нормализации или высокого отпуска. Весьма эффективный способ уменьшения внутренних напряжений – медленное охлаждение изделий при температурах превращения аустенита в мартенсит.

Недостаточная твердость – такой дефект получается в результате недогрева или недостаточно быстрого охлаждения изделия при закалке. Этот дефект исправляется правильной повторной закалкой, перед которой отжигом, нормализацией или высоким отпуском снимаются внутренние напряжения.

Термическая обработка чугуна.

Термическую обработку чугунов производят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменением размеров и формы оливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств.

Отжиг чугуна.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Этому отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом 500-570 ºС; высокопрочный чугун с шаровидным графитом 550-650 ºС; низколегированный чугун 570-600 ºС; высоколегированный чугун 620-650 ºС. Скорость нагрева составляет примерно 70-100 град/час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки составляет от 1 до 8 часов. Охлаждение до 200 ºС (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20-50 град/час, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе. Результатом этого вида отжига является снятие внутренних напряжений, повышение вязкости, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный) проводят для повышения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют длительной выдержкой при 680-700 ºС (ниже точки А₁). Время выдержки для серых чугунов 1-4 часа, для ковких чугунов до 60 часов. Охлаждение медленное для деталей сложной конфигурации и ускоренное для деталей простой формы. В результате этого отжига в чугуне увеличивается количество феррита.

Отжиг графитизирующий, в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

Нормализация (серого и ковкого чугуна) при температуре 850-950 ºС. Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом (1 -3 часа). Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратится в перлит и чаще всего осуществляется на воздухе. В результате нормализации получается структура перлит + графит и повышается прочность и износостойкость. После нормализации для снятия внутренних напряжений применяется высокий отпуск при 650-680 ºС с выдержкой 1-1,5 часа.

Закалка и отпуск чугуна.

Для закалки чугун нагревают до температуры 850-950 ºС. Время нагрева обычно составляет от 1 до 3 часов (полное растворение углерода в - железе). Охлаждение осуществляется в воде или масле. При закалке аустенит превращается в мартенсит или троостит + графит. После закалки проводят отпуск при температуре 200-600 ºС. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугун нагревают и выдерживают от 10 до 90 минут, после чего охлаждают в расплавленной соли при 200-400 ºС. В результате этого аустенит распадается с образованием структуры игольчатого троостита + графит. Изотермическая закалка позволяет повысить твердость и прочность, сохраняя пластичность.

Поверхностная закалка с нагревом поверхностного слоя кислородо-ацетиленовым пламенем, ТВЧ или в электролите. Нагрев до 900-1000 ºС. Охлаждение в воде, масле или масляной эмульсии. При поверхностной закалке в поверхностном слое образуется мартенсит + графит или троостомартенсит + графит. Отпуск при 200-600 ºС, охлаждение на воздухе. В результате повышается твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

Старение чугуна.

Для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений применяют старение.

Различают два вида старения: естественное и искусственное. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе или в помещении склада. Изделия после литья выдерживаются в течении 6-15 месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках составляет 3-10 %.

Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность несколько часов.

Нагрев до температуры 550-570 ºС со скоростью 30-60 ºС в час, выдержка при этой температуре 3-5 ч и охлаждение вместе с печью до 150-200 ºС, с последующим охлаждением на воздухе.

Химико-термическая обработка стали.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

Такая обработка применима к деталям, от которых требуется наличие твердой и износоустойчивой поверхности при сохранении вязкой сердцевины, высокой коррозионной стойкости, высокого сопротивления усталости и т.д.

ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:

· образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого материала;

· адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

· диффузию – перемещение адсорбированных атомов в поверхность металла.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка – закалка (780-850 ºС) и низкий отпуск (150-200 ºС). Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3 % углерода. Поверхность детали насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1 %. Цементация осуществляется в твердых, газообразных и жидких средах (карбюризаторах).

При цементации в твердом карбюризаторе используется металлический ящик (Рис.58.). Детали располагают в ящике в шахматном порядке. Вместе с деталями в ящик загружают цилиндрический образец – «свидетель», изготовленный из стали той же марки, из которой изготовлены детали. По «свидетелю» определяют глубину цементированного слоя. В качестве карбюризатора служит смесь древесного угля (60-90 %)и углекислых солей бария ВаСО₃ и натрия NаСО₃. ящики закрывают крышкой, устанавливают в печь и выдерживают при температуре 900-950 ºС.

Рис.58. Схема укладки деталей в цементационный ящик

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кислородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирующего в деталь: 2СО СО₂ + С _{атомарный}. Двуокись углерода взаимодействует с древесным углем и вновь образует окись углерода: СО₂ + С 2СО и т.д.

Чаще всего карбюризатор имеет состав: 14-22 % ВаСО_3, 4 % Nа₂СО₃ , 2 % СаСО₃, 6 % патоки или крахмала, не более 5 % влаги и остальное – древесный уголь твердых парод с зерном 7-12 мм.

При температуре цементации углекислые соли разлагаются на окиси и углекислый газ: ( ВаСО₃ ВаО + СО₂; Nа₂СО₃ Nа₂О + СО₂). На поверхности цементированной стали образуется заэвтектоидная зона (перлит и сетка цементита(, далее располагается эвтектоидная зона (перлит), и при переходе к сердцевине – переходная доэвтектоидная зона (феррит и перлит). За толщину цементированного слоя принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны (Рис.59.). С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5 – 2 мм. на каждые 0,1 мм толщины слоя требуется выдержка около 1 часа.

Рис.59.

В единичном производстве используется цементация пастами. При массовом и крупносерийном производствах применяют газовую цементацию в специальных герметически закрытых печах. Газовая цементация позволяет повысить скорость процесса (по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе), повысить производительность труда, осуществить автоматизацию и регулирование процесса насыщения металла углеродом. При газовой цементации атомарный углерод образуется при разложении углеводородов и окиси углерода. Основным углеводородом является метан СН₄, разложение которого идет по реакции СН₄ 2Н2 + С _{атомарный}. Для цементирования слоя глубиной 1мм при газовой цементации требуется 3-4 часа (при цементации в твердом карбюризаторе -10 часав).

Высокую скорость науглероживания (0,12 – 0,15 мм/ч) обеспечивает жидкостная цементация. Она осуществляется в соляной ванне следующего состава: 75-80 % Nа₂СО₃, 10-15 % NaCl и 6-10 % SiC (карборунд). Процесс ведется при температуре 850-860 ºС. Добавление в ванну хлористого аммония NH₄Cl интенсифицирует процесс. Жидкостная цементация создает возможность закалки зацементированных деталей прямо из соляной ванны, позволяет достигнуть равномерности нагрева.

Азотирование.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом с целью повышения твердости (до 72 НRC), износоустойчивости поверхности, усталостной прочности и коррозионной стойкости деталей.

Основоположником азотирования стали является русский ученый проф. Н.П.Чижевский, который впервые5 исследовал и применил этот процесс.

Азотирование проводят при температурах 500-520º С в течении 8-90 ч. Глубина азотированного слоя – 0,1 – 0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до 200-300º С вместе с печью в потоке аммиака, а затем на воздухе. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твердость азотированного слоя.

Для нагрева деталей служат специальные печи, в которые подается аммиак NH₃. при нагреве аммиак разлагается: 2NH₃ 3H₂ + 2N_{атомарный}. Атомарный азот N поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. В поверхностном слое азот образует химические соединения – нитриды (железа Fe₂N, хрома CrN, молибдена МоN, алюминия АlN), которые придают стали большую твердость (до 1200 НV). Азотирование проводят по одноступенчатому и двухступенчатому режимам. По одноступенчатому режиму азотируют инструмент из быстрорежущей стали (метчики, зенкеры, сверла, фрезы). Стойкость такого инструмента повышается в 2-3 раза. Двухступенчатое азотирование применяют для упрочнения штампов горячей штамповки. На первой ступени процесс ведется при 500-590º С в выдержкой 8-10 ч, на второй ступени – при 570-590º С в течение 18-20 ч. Детали охлаждают вместе с печью до 200º С. При двухступенчатом режиме азотированный слой получается с меньшей хрупкостью.

Азотированию с целью повышения твердости поверхности подвергают зубчатые колеса, гильзы, валы и другие детали из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВАи др. Азотирование – последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей.

Антикоррозионное азотирование любых сталей выполняют на небольшую глубину при температурах 600-700º С в течении 1-2 ч. Такое азотирование часто совмещают с закалкой при 770-850º С (стали У8, У10 и др.) с выдержкой 10-15 мин и охлаждением в воде или масле.

Жидкостное азотирование выполняется в расплавленных цианистых солях (40 % KCNO и 60 % NaCN), через которые при 570º С в течении 1-3 ч пропускают кислород. Толщина азотированного слоя – 0,15-0,5 мм. В результате распада солей в сталь диффундирует азот, на поверхности деталей образуется тонкий слой карбонитрида Fe₃(CN) с высоким сопротивлением износу и коррозии. Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей – до 350 HV, легированной – до 1100 HV.

Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разряженная азотосодержащая атмосфера. Для этой цели применяют чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они играют роль катода. Анодом служит корпус контейнера. Между катодом и анодом включают высокое напряжение (500-1000 В) – происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу – катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, подаваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода. Возле катода создается высокая напряженность электрического поля. Ионы азота, входя в эту зону высокой напряженности, приобретают большие скорости и, ударяясь о деталь (катод), внедряются в ее поверхность. Высокая кинетическая энергия, которой обладают ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15-30 мин) разогревается до 450-580º С, происходит диффузия азота в глубь металла, т.е. азотирование. При соударении ионов с поверхностью детали ионы железа выбиваются с ее поверхности, за счет чего обеспечивается очистка поверхности от окисных пленок, препятствующий азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых пассивирующая пленка обычными способами удаляется с большим трудом.

Цианирование. Процесс представляет собой одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Результаты цианирования определяются глубиной слоя, а также концентрацией углерода и азота в поверхностном слое и зависят от температуры и продолжительности процесса. Повышение температуры приводит к увеличению содержания углерода в слое, снижение – к росту содержания азота.

В зависимости от температуры различают три вида цианирования: низко-, средне- и высокотемпературное. Низкотемпературное цианирование производиться при 550-570 º С в соляных ваннах, содержащих около 40 % цианистого калия (KCN) и 60 % цианистого натрия (NaCN), через которые пропускают сухой воздух. Насыщение стали азотом в этом случае происходит больше, чем углеродом. Низкотемпературное цианирование применяется с целью повышения твердости, износостойкости и теплостойкости инструмента из быстрорежущей стали, а также деталей из среднеуглеродистых сталей. Продолжительность процесса 0,5-3 ч. Глубина цианированного слоя – 0,0015-0,04 мм . среднетемпературное цианирование выполняется при 820-860º С в расплавленных солях, содержащих 40 % цианистого натрия (NaCN), 40 % хлористого натрия (NaCl), и 20 % кальцинированной соды (Na₂CO₃). Глубина цианированного слоя – 0,15-0,35 мм. детали закаливают прямо из цианистой ванны, а затем отпускают при 180-200º С. Твердость цианированного слоя после термической обработки – 52-62 HRC. Цианированный слой содержит 0,8-1,2 % азота и 0,6-0,7 % углерода.

Высокотемпературное цианирование проводится при 930-960º С в расплавленных солях, содержащих 8 % цианистого натрия, 10 % хлористого натрия и 82 % хлористого бария (BaCl)₂. Продолжительность процесса 1,5-6 ч. Глубина цианированного слоя – 0,15-2 мм. после цианирования детали сначала охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Твердость цианированного слоя после термической обработки – 63-65 HRC. Цианированный слой содержит 0,2-0,3 % азота и 0,8-1,2 % углерода.

Нитроцементацией называется процесс химико-термической обработки, при котором происходит одновременное насыщение поверхностных слоев стальных изделий в газовой среде. Процесс осуществляется в газовой смеси из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при 850-870º С, время выдержки -2-10 ч, толщина получаемого слоя -0,2-1 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску при 160-180º С. Твердость поверхностного слоя -60-62 HRC.

Диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали металлом с целью изменения его состава и структуры называется диффузионной металлизацией.

Алитирование – процесс насыщения стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитирование осуществляется в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием при температурах 700-800º С в течении 45-90 мин, а также напылением с последующим диффузионным отжигом при 900-1000º С. Толщина алитированного слоя -0,2-1 мм. Алитированию подвергают детали из низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, специальной стали и серого чугуна.

Хромирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости , твердости и износостойкости. Для хромирования используются жидкая, твердая и газообразная среды. Процесс ведут при 900-1100º С в течении 5-20 ч. Толщина слоя – 0,1-0,3 мм, твердость хромированного слоя средне- и высокоуглеродистой стали -1200-1300 HV.

Силицирование – процесс диффузионного насыщения стали кремнием, обеспечивающий повышение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхностей стальных деталей, а также резкое увеличение жаростойкости молибдена и некоторых других металлов и сплавав. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, 30 % окиси алюминия и 1 %хлористого аммония, а также в газовой среде во вращающихся ретортах, в которых происходит разложение хлорида кремния (SiCl₄), при 950-1050º С с выдержкой 2-5 ч. Толщина силицированного слоя – 0,5-1 мм, твердость -200-300 HV.

Борирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором с целью повышения твердости, коррозионной стойкости, теплостойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, твердость 1800-2000 HV. Недостаток борированного слоя – хрупкость.

Методы поверхностной закалки.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше точки Ас₃ для доэвтектоидной стали и выше точки Ас₁ для заэвтектоидной стали и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей и сопротивления усталости при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам благодаря высокой пластичности сердцевины.

Поверхностная закалка при нагреве ТВЧ (током высокой частоты). (Рис.60.)

В настоящее время широко распространена поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты.

Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирования вихревых токов. Электромагнитное поле создается индуктором, подключенным через трансформатор напряжения к источнику переменного тока. Процесс нагрева токами высокой частоты осуществляется следующим образом. Изделие, подлежащие нагреву, помещают внутрь спирали из медной трубки, т.е. в индуктор. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы, который создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле, в результате чего изделие перемагничивается много раз в секунду, в нем возникают короткозамкнутые вихревые токи. Продолжительность нагрева ТВЧ весьма мала – она исчисляется секундами. Таким образом, изделие нагревается находящимися в нем электрическими токами, роль индуктора – возбудить эти токи. После нагрева изделия до требуемой температуры его охлаждают.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований способы высокочастотной закалки разделяются на три группы (Рис.61.).

При закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки. В этом случае вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. По окончании нагрева реле времени отключает индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Детали значительной длины закаливают непрерывно-последовательным способом. Закаливаемая деталь вращается вокруг вертикальной оси, а также перемещается внутри индуктора сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и охлаждения закалочного устройства.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то применяют способ последовательной закалки. При этом способе закаливаемая поверхность нагревается и охлаждается по частям.