Конспект лекций и ответы на экзаменационные вопросы по предмету Термическая Обработка

	Загрузить архив:
	Файл: ref-13849.zip (170kb [zip], Скачиваний: 150) скачать

Теория термообработки.

Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью направленного изменения его структуры и свойств.

Классификация видов термообработки:

Отжиг.

Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.

Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:

1.Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизации характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Химическая неоднородность обусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньше это различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся в слитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этого применяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов). При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность в пределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре в течение нескольких лет. А это практически невозможно.

В процессе отжига на гомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидных фаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью. При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазы больше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

2.Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образованиеячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Для чистых металлов температура начала рекристаллизации t_p=0,4Тпл, ºК, для обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов 0,8Тпл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.  

Степень деформации определяет размер зерна после отжига. Если она близка к критической (e_кр=5-15%), то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычно нежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металлов производят со степенью 30-60%. В результате получается мелкозернистая однофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности. Увеличение степени деформации до 80-90% вызывает появление в металле текстуры деформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаях потребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности с необходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность – отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.  

3.Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: t_отж=0,2-0,3Тпл º К. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

4.Патентирование. Смотреть термообработку стали.

Отжиг второго рода – термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.

При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена (a®b®a) в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.  

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.

Закалка с полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для сплавов, в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.

При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в основном компоненте. Образование высокотемпературной полиморфной структуры сопровождается увеличением растворимости легирующих элементов. Последующее резкое охлаждение ведет к обратному изменению типа кристаллической решетки, однако из-за быстрого охлаждения в твердом растворе остается избыточное содержание атомов других компонентов, поэтому после такого охлаждения образуется неравновесная структура. В металле сохраняются внутренние напряжения. Они вызывают резкое изменение свойств, увеличивается прочность, уменьшается пластичность. При быстром охлаждении перестройка кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещения целы групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляется игольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное состояние металла после такого типа закалки является термодинамически неустойчивым. Поэтому, чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, получить необходимый уровень внутренних напряжений, а соответственно и необходимые механические свойства, применяют дополнительную термообработку, которую называют отжиг.

Закалкабезполиморфного  превращения.

Применяетсядля  сплавов, неиспытывающихполиморфных  превращений, но имеющих  ограниченную растворимость одного компонента в другом.

Если сплав, содержащий вторичные фазы, нагреть до температуры выше линии солидус, то увеличение растворимости приведет к растворению вторичных фаз. Если теперь такой твердый раствор быстро охладить, то выделение вторичных фаз образоваться не успеет, т.к. для этого требуется время на прохождение процесса диффузии, образование другой кристаллической решетки, границ раздела между фазами. В результате, при нормальной температуре пересыщенный метастабильный твердый раствор содержит избыток второго компонента. Такое изменение структуры изменяет свойства сплава, прочность может,как увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, как правило, увеличивается. Состояние металла после такой закалки является термодинамически неустойчивым. Самопроизвольно или под влиянием предварительного нагрева метастабильный твердый раствор начинает распадаться с выделением вторичной фазы, т.е.α_м®α+β_ІІ. Этот процесс называетсястарением. Таким образом, старение – это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной структуры и заданного уровня свойств.

Отпуск.

Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфным превращением всегда сопровождается резким увеличением внутренних. Соответственно максимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падает пластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности, такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагрев вызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе и выделение вторичных фаз.

После закалки без полиморфного превращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такое состояние сплава – нестабильное и стечением времени начинает меняться. Пересыщенный твердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичной фазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:

На первой стадии в кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. С течением времени эти зоны увеличиваются.

На второй стадии концентрация атомов второго компонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделения вторичной фазы.

Наступает третья стадия, т.е. формирование в этих зонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решетки твердого раствора и от решетки вторичной фазы.

На четвертой стадии увеличение концентрации второго компонента приводит кобразованию окончательной кристаллической решетки вторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором и вторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, прежде всего, на  диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти от температуры. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Если температура нормальная, то процесс распада называетсяестественным старением, а если температура повышенная, то - искусственным старением. В результате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердого раствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным по объему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения, располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, требуют увеличение скалывающего напряжения. Соответственно, прочность и твердость сплава увеличиваются.

Химико-термическая обработка (ХТО).

Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава и свойств поверхности детали.Различные виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств.Изменяя состав химической среды, можнов одних и тех же деталях получать различные свойства.

Термомеханическая обработка.

Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие при термообработке.

Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после термообработки в отдельности.

Термообработка сталей.

Критические точки в диаграммеFE-C.

Это температурные точки фазовых превращений. Их обычно принято обозначать буквами Ас и Аr.

Ас – точка соответствует нагреву, температура увеличивается.

Аr – точка соответствует охлаждению, температура уменьшается.

1)Точка А_С1 – первая критическая точка (линия PSK). Температура равновесная, равная 727 °С. На этой линии идет реакция перехода П ÛА.

2)Точка А_С2 =768 °С. Переход железа из магнитного в парамагнитное состояние.

3)Точка А_С3 (линия GS),в зависимости от химического состава, температура меняется от 911 до 727 °С. Превращение: Ф ÛА.

4)Точка А_С4 (линия NY), температура 1400 °С и выше. Превращение: А ÛS –феррит.   Выше этой точки стараются не нагревать.

5)Точка Асm (линия SE)    А+Ц_÷÷ ÛА

Нагрев и охлаждение.

Процесс термообработки стали, в любом случае, включает в себя нагрев и охлаждение, при этом происходят  структурные и фазовые превращения. Эти превращения принято разделять на четыре основных вида:

1. ® Апри повышении температуры;

2. ® Ппри уменьшении температуры;

3. ® М при закалке (температура значительно уменьшается, быстрое охлаждение);

4. ® П при отпуске (температура увеличивается).

По прохождении этих процессов при редких вариантах термообработки зависит окончательная структура сталей а, следовательно, свойства деталей.

Первое основное превращение в стали:

                                           П ® А (температура увеличивается)

Первое основное превращение происходит, практически, при всех видах отжига и закалки в процессе нагрева стали. Превращение перлита в аустенит начинается при нагреве стали выше первой критической точки А_С1. При этом зерна(Ф+Ц) в перлитном зерне взаимодействуют между собой и образуется зародыш зерна аустенита: Ф+Ц®А

Так как поверхности раздела между ферритом и цементитом в зерне перлита очень много, то в начальный момент времени возникает огромное количество зародышей аустенита. Начальное зерно аустенита всегда очень мелкое. Увеличение температуры нагрева вызывает постепенный рост зерна аустенита. Чем выше температура, тем крупнее зерно.

Одновременно с ростом зерна аустенита происходит растворение крупных включений цементита и выравнивание содержания углерода по сечению деталей.

Рост зерна аустенита в различных сталях идет по-разному. Если увеличение температуры вызывает медленный рост зерна, чем больше температура, тем больше зерно, то такую сталь называют наследственно крупнозернистой. Если же увеличение температуры вызывает рост зерна только при нагреве до температуры 950-1000 °С, то такую сталь называют наследственно мелкозернистой.

Крупнозернистая сталь – это кипящая, т.е. раскаленная Mg и C.

В структуре этой стали нет никаких включений, сдерживающих границы зерен. Поэтому зерно в такой стали увеличивается пропорционально росту температуры.

Наследственно мелкозернистая сталь – это спокойная сталь, она раскалена Al.                                 

                  FeO + Al ® Fe + Al₂O₃

Мелкое включение окиси Al сдерживает границы зерен от перемещения при нагреве до температур до 950 °С, но дальнейший рост температуры вызывает резкий рост зерна и его размер может даже превысить размер зерна в крупнозернистой стали. Для того чтобы определить, к какому типу относится данная сталь, проводят испытания на стандартную пробу, т.е. нагревают сталь до температуры 930 °С и держат 8 часов. Если зерноувеличилось, то сталь крупнозернистая, если не увеличилось, то сталь мелкозернистая.

Размер зерна аустенита является очень важной характеристикой. Чем крупнее зерно аустенита, тем соответственно будет крупнее зерно перлита или мартенсита, образующиеся после отжига или закалки. Крупное же зерно всегда нежелательно, т.к. снижает ударную вязкость стали.

Второе основное превращение:

                            А ® П (температура уменьшается)

Это превращение происходит при медленном  охлаждении стали, т.е. в процессе отжига. Начинается оно образованием первых зародышей цементита на границе зерна аустенита при понижении температуры ниже точки А₁.

Если зерно А было крупным, соответственно крупным будет и зерно П.

Если охлаждение идет медленно, то диффузия углерода успевает пройти на большее расстояние, соответственно образуется зерно перлита и цементита большой толщины.

Если охлаждение идет быстро, то диффузия пройти не успевает, образуются

тонкие пластины Ф и Ц, структура перлита будет мелкодисперсной, от которой зависти твердость стали. Чем крупнее перлитные пластины, тем меньше твердость и наоборот. Поэтому,при медленном охлаждении твердость стали всегда получится меньше.

                           Изотермическая диаграмма распада.

Четвертое превращение М ®П.

Структура закаленной стали, то есть М является т/д неустойчивой. Это объясняется, во-первых чрезмерным количеством с в твердом растворе. Во-вторых, большим количеством внутренних дефектов кристаллического строения, в-третьих наличием остаточного аустенита. Однако, самопроизвольно при нормальной температуре сталь не может перейти в более устойчивое состояние, так как для перестройки структуры требуется дополнительная энергия. Распад неустойчивой структуры возможен лишь при повышении температуры. Такая перестройка начинается начиная с небольшого нагревания до 100⁰ и заканчивается при достижении температурой т. А₁ (то есть 700⁰). Условно процесс перестройки температуры можно разбить на три стадии:

1. ⁰С. В этом интервале температур из М _{закалки} выделяется избыток углерода в виде мельчайших выделений цементита Fe₃C. В результат внутреннее напряжение в мартенситеуменьшается, и такой мартенсит называют мартенситом отпуска. Выделение из мартенсита цементита сопровождается уменьшением объема стали.

2. ⁰С. При этих температурах продолжается превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска при уменьшении объема и одновременно с этим остаточный аустенит, который сохранился в закаленной стали, превращается в мартенсит закалки. Этот процесс идет с увеличением объема стали. Если остаточного аустенита много, то это увеличение объема можно компенсировать. Изменение  объема связано с переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска.

3. ⁰С. При этих температурах мартенсит отпуска распадается на смесь феррита и цементита М_отп ® Ф+Ц. Чем выше температура, тем больше размер образовавшихся зерен феррита и цементита. Кроме того, меняется и форма цементитныхвключений. В отличии от пластинчатой формы, которая образуется при распаде аустенита в момент перехода его в перлит, при превращении мартенсита в перлит частицы цементита округлые, то есть сферические. В результате такого изменения структуры меняется вязкость стали. Чем мельче частицы цементита и чем они более круглые, тем выше вязкость. Размер округлых включений цементита зависит только от температуры, чем выше температура, тем включений больше, но одновременно с увеличением размера включений уменьшается и твердость и вязкость стали.

Практика термообработки сталей.

При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и отпуск.

Отжиг сталей.

Отжиг – это термообработка, направленная на уменьшение прочности и твердости и повышение пластичности стали. Температура отжига определяется его назначением и зависит от содержания углерода.

Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей применяют различные виды отжига. Это объясняется разным назначением сталей.

Отжиг доэвтектоидной стали.

Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так иотжиг 2 рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию (применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от 0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на рекристаллизацию.

1.⁰С, время отжига 4-12 часов.

2.⁰С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А₁, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода.

Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее. Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:

1. полный отжиг
2. изотермический отжиг
3. нормализация
4. патентирование

1. Полный отжиг

Производится с нагревом стали до температуры, превышающей точку А₃ с последующим медленным охлаждением вместе с речью. Медленное охлаждение вызывает полное равновесное превращение А®Ф + П. В результате получается максимально возможная пластичность, минимальная твердость и прочность и полное снятие внутренних напряжений. Если внутренние направления не имеют значения то после охлаждения с печью до 500⁰, дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе. Полный отжиг применяют для устранения дефектов структуры, вызванных литьем, холодной деформацией, сваркой.

Основной недостаток полного отжига – это его большая продолжительность, возможная неравномерность зеренного строения в центре и на поверхности крупногабаритных изделий, вызванная неодинаковой скоростью охлаждения.

2. Изотермический отжиг.

При изотермическом отжиге, заготовки, нагреваются до температуры выше т. А₃ быстро охлаждают на 100º С ниже точки А₁, затем помещают в печь и при этой температуре выдерживают до полного превращения А®П.

Так как превращение А®П идет при постоянной температуре и во всем объеме детали одновременно, такой способ отжига позволяет получить равномерную структуру по всему объему детали. Такой вид отжига применяется для крупногабаритных деталей ответственного назначения.

3. Нормализация.

Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе.

Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно, по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности. Особенно это заметно на деталях, содержащих 0,3-0,6%С. Прочность и твердость таких сталей при нормализации имеет промежуточное значение между твердостью, полученной после отжига и твердостью, полученной при закалке, поэтому нормализация таких сталей является основным видом термообработки.

Для малоуглеродистых сталей свойства после отжига и после нормализации практически совпадают, поэтому для малоуглеродистых сталей отжиг всегда заменяют на нормализацию. Нормализацию применяют и как окончательный вид термообработки и как промежуточный, например, между операциями холодной деформации для снятия наклепа или перед обработкой резанием для уменьшения твердости.

4. Патентирование.

Это особый вид отжига, который применяется для изготовления высокопрочной проволоки.

Низкая температура превращения позволяет получить равномерную мелкую структуру. Такая структура называется троостит. После отжига сталь подвергают холодной деформации, волочению. В результате мелкой структуры и наклепа позволяют получить металл прочностью 2000-5000 Мпа.

Отжиг заэвтектоидной стали.

1.Отжиг на сфероинизацию является неполным, поэтому при нагреве полного растворения цементитных включений не происходит.В процессе охлаждения оставшиеся включений цементита при распаде аустенита. В результате форма включений цементита меняется. Из бывшей пластинчатой она превращается в округлую сферическую. Поэтому такой отжиг называется сфероинизирующим. Изменение формы включений цементита позволяет повышать вязкость стали; облегчает процесс обработки резанием. Такая структура стали является идеальной перед закалкой. Для ускорения процесса сфероинизации иногда применяют отжиг с циклированием температуры на 20-30º С выше или ниже точки А1. Такой отжиг называют маятниковым.

При нагреве стали происходит растворение краев цементитных пластин, при охлаждении же цементит выделяется равномерно по всей поверхности. Поэтому при таком виде отжиге процессе сфероинизации идет быстрее.

2.Нормализация.

Применяется для заэвтектоидной стали с целью устранения выделений цементита по границам зерен. Сплошная цементитная сетка крайне нежелательна. Она образуется при медленном охлаждении с высоких температур. Нагрев сталей до температур выше точки Аст приводит к растворению цементитной сетки по границам зерен. При ускоренном охлаждении на воздухе вторичный цементит выделяется в виде отдельных включений, не образуя сплошной сетки по границам зерен. В результате вязкость стали восстанавливаются.

Закалка сталей.

Закалкой называют термообработку, включающую в себя нагрев сталей до температур выше критических и быстрое, резкое охлаждение, с целью получения высокой прочности и твердости. Различают закалки объемную и поверхностную. При объемной закалке нагревают и охлаждают весь объем детали, при поверхностной – только поверхность.

В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке сталь нагревают выше точки А₃. Полная закалка применяется для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве выше точки А₃ сталь имеет полностью аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не применяют. Длязаэвтектоидной стали применяют только неполную закалку. В этом случае вторичный цементит, который сохраняется в стали, дополнительно повышает твердость закаленных сталей. Если же применить полную закалку, то вторичный цементит растворяется в аустените. Это сопровождается резким увеличением зерна. После охлаждения в такой стали будет большое количество остаточного аустенита. Это дополнительно уменьшит твердость стали, поэтому для заэвтектоидной стали полная закалка никогда не применяется. Выдержка при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать роста аустенитного зерна. Обычно ориентировочно выдержку детали принимают из расчета 1 минуту на 1 миллиметр толщины для нагрева и + 1 минута на 1 миллиметр толщины для выравнивания температуры по сечению и прохождения всех структурах и фазовых превращений. Охлаждение при закалке должно быть резким, для того, чтобы не допустить  образования перлита, но в то же время – максимально медленным, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений, образующихся в деталях при резком охлаждении. Внутренние напряжения должны быть термические и структурные. Термические возникают из-за неодинаковой скорости охлаждения поверхности и центров массивных деталей, а также при неодинаковой скорости охлаждения тонких и толстых сечений детали.

Структурные напряжения возникают из-за объемного эффекта (v ↑)при переходе А→ М. В зависимости от содержания углерода этот объемных эффект достигает 5-6%. Уровень внутренних напряжений может быть настолько велик, что в результате происходит искажение формы детали или ее растрескивание.

Охлаждение при закалке может вестись в предельных средах (вода, масло минеральное, водо-воздушные смеси). От скорости охлаждения зависит структура, которая в стали после закалки. Если скорость недостаточная, то получает перлитная структура. Они отличаются друг от друга различным размером частиц перлита и цементита. Если скорость охлаждения при закалке достаточно велика, для того, чтобы не образовался перлит, но слишком мала для образования мартенсита в сталях, появится промежуточная структура – бейнит. Внешне она имеет игольчатую структуру как мартенсит, но сами иглы представляют собой феррит, внутри которого выделяется мельчайшие частицы цемента. Если скорость охлаждается стали превышает критическую скорость, то образуется в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной стали. Наиболее эффективное охлаждение обеспечивает вода, но её недостаток – слишком быстрое охлаждение винтервале мартенситного превращения. В результате возникают большие внутренние напряжения. Минеральное масло наоборот дает малую скорость охлаждения в области мартенситного превращения, но не достаточно быструю в области перлитного превращения.

Способы закалки.

Для того, чтобы обеспечить закалку сталей на мартенсит необходимо быстро охлаждать её в области перлитного превращения. Но если с такой же скоростью охлаждать её и дальше в области мартенситного превращения, то в детали возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее, но среды с переменной скоростью охлаждения не существует и поэтому для разных деталей применяют различные способы охлаждения, чтобы получить закаленное состояние с минимум уровнем внутренних напряжений.

1.Охлаждение в одном охладителе (воде, масле). Недостаток - очень резкие внутренние напряжения. Чтобы их уменьшить применяют второй способ закалки.

2.Закалка в двух средах (из воды в масло). По этому способу в начале деталь охлаждают в воде, до температуры ниже перлитного превращения, а затем перебрасывают до окончательного охлаждения в масло. Этот способ сложен и требует высокой квалификации рабочих, от которых требуется выдерживать деталь определенное количество времени в воде. Если выдержка будет мала, то при дальнейшем охлаждении попадаем в перлитное превращение, и закалки не будет, а если выдержка слишком большая, то в деталях возникают большие внутренние напряжения.

3.  Ступенчатаязакалка. При ступенчатой закалке нагретую деталь охлаждают быстро до заданной температуре в специально горячей среде, в качестве которой используются расплавы металлов или солей. Время выдержки в горячей среде определяются маркой стали и может быть четко определено по секундомеру, после этого идет окончание охлаждение в воде или масле. Выдержка в горячей среде позволяет выровнять температуру по всему сечению деталей, поэтому при окончательном охлаждении в воде, или масле превращение аустенита в мартенсит идет одновременно по всему объему детали, что позволяет резко снизить уровень внутренних напряжений. Такой способ закалки применяют для крупногабаритных деталей сложной формы, чтобы до минимума снизить искажение формы.

4. Изотермическая закалка. Этот способ применяется для крупногабаритных деталей, которые нельзя охлаждать очень быстро, из-за опасности разрушения. При изотермической закалке нагретые детали помещают в горячую среду, нагретую до заданной температурой 350-400 градусов, в которой выдерживают до полного прохожденияпревращения аустенита в троостит или бейнит. После полного превращения деталь обычно охлаждается на воздухе. Дополнительного отпуска после такой закалке не требуется. Температура окружающей среды выбирается термообработкой, чтобы получить в детали структуру, обеспечивающую заданную твердость.

5.Закалка с обработкой холодом. При закалке высокоуглеродистых сталей, содержащих никель, молибден, вольфрам даже после полного охлаждения до нормальной температуры превращение аустенита в мартенсит проходит не полностью. Остаточный аустенит имеет невысокую твердость и поэтому твердость детали после закалки будет недостаточной. Для устранения остаточного аустенита закаленные детали дополнительно охлаждают в области отрицательных температур 70-80 градусов, парами углекислоты или жидкого азота. Дополнительное охлаждение вызывает переход остаточного аустенита в мартенсит и твердость закаленной стали повышается.

6.Закалка с самоотпуском. Этот способ закалки применятся для деталей, которые должны иметь различную твердость в различных местах. Чтобы получить переменную твердость, нагретую деталь помещают в охлажденную среду только рабочей поверхностью, оставляя хвостовик над поверхностью охлаждающей среды. После полного охлаждения поверхности деталь извлекают из охлаждающей среды и за счет тепла, сохранившегося в хвостовой части, происходит разогрев рабочей поверхности и ее отпуск. Температуру разогрева поверхности контролируют по цветам побежалости.

Поверхностная закалка.

Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть поверхность и вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразупроводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов поверхностей закалки:

1.Закалка погружением – разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого закаленного слоя.

2.Газопламенная закалка. Разогрев поверхности детали проводится за счет нагрева пламенем газовой горелки. Достоинство способа в его универсальности, недостаток – высокая температура пламени вызывает перегрев поверхности и как следствие - крупное зерно, выгорание углерода, легирующих элементов, резкийтемпературой градиент,возможно отслаивание закаленного слоя.

3. Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционнаязакалка). Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к истокам токов высокой частоты. Достоинство способа – высокая производительность недостаток – потребность в сложном оборудовании, для каждой детали необходим свой индуктор, наличие вредных электромагнитных полей.

4.Закалка с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течении нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода вглубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина  закаленного слоя регулируется временем, освещая её лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон.

Отпуск стали.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Различают 3 вида отпуска по температуре: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск         150-220 градусов

Средний отпуск       350-450 градусов

Высокий отпуск       550-650 градусов

Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов.  Твердость мартенсита отпуска такая же или немного больше, чем у мартенсита закалки (58 – 62 HRC).

Средний отпуск проводится для деталей, в которых требуется максимальный предел упругости. При температурах среднего отпуска происходит распад остаточного аустенита в мартенсит, и затем переход мартенсита в троостит. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердогораствора мелкие карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости. Поэтому такой вид отпуска применяют для изготовления упругих деталей машин. Твердость 40 – 45НRС и очень маленькая ударная вязкость.

Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокойударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС.

Сочетание полной закалки и высокого отпуска называетсятермическим улучшением стали. Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие 0,3 = 0,6 %С. Поэтому такие стали часто называютулучшаемыми.

     Выбор того или иного вида отпуска зависит от назначения детали. Если деталь должна обладать максимальной твердостью и износостойкостью, то соответственно твердость поверхности должна быть максимальной и для такой детали всегда применяют закалку с низким отпуском. Если же на первое место по техническим условиям выходит максимальная вязкость, то применяют закалку с высоким отпуском. Средний отпуск в большинстве случаев используют при изготовлении пружины. В некоторых случаях при быстром охлаждении деталей после горячей деформации  возникает эффект увеличения твердости за счет получения неравновесных структур типа троостит или бейнит. Такая сталь с трудом поддается обработке резанием, поэтому для снижения твердости её подвергают высокому отпуску при температуре 600-700º С с медленным охлаждением. Чаще всего это высокоуглеродистая сталь или сталь, содержащая легирующие элементы.

Отпускная хрупкость.

Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1.  Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С – это отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.

2.  Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Этоотпускная хрупкость II рода или обратимая.

Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6%С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350º С. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости Iрода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350º С отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускнаяхрупкость называется необратимой.

Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.

Прокаливаемость сталей.

Под прокаливаемостьюпонимают способность сталей закаливаться на максимальную глубину.

Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку, уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности. Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих элементов. Большинство из них сдвигаютс-образные кривые вправо. Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а также Ni, Mo, Mn. В большинстве случаев при проектировании детали конструктор должен знать величину критического диаметра для данной марки стали. Критический диаметр – это максимально возможный диаметр для данной марки стали, закаливающейся в данном охладителе насквозь. Самый простой метод определения критического диаметра – способ пробной закалки. Для этого от прутка отрезают кусок, нагревают, закаливают и измеряют твердость по диаметру. Если твердость меняется мало, то деталь прокаливается насквозь.

Наиболее часто для определения критического диаметра применяется способ торцевой закалки. Для этого из исследуемой стали изготовляют цилиндрический образец с длиной цилиндра 100 мм и диаметром 25.

Образец нагревается в печи, а затем охлаждается струей воды, направленной в торец.После полного охлаждения производится замер твердости, начиная от торца до тех пор, пока твердость не перестанет изменяться. Границу закаленной зоны определяют по величине закаливаемости стали. Закаливаемость – это способность стали закаливаться на максимальную твердость. Закаливаемость зависит прежде всего от содержания углерода. Чем больше углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. А также от содержания карбидообразующих легирующих элементов.

Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре становится менее 50% мартенсита.

Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода.

Таким образом, зная содержание углерода в данной стали, по специальному экспериментальному построенному графику определяется твердость полумартенситной зоны. После этого на экспериментально полученномграфике изменение твердости от торца получаем величину а. После этого по специальной номограмме Блантера определяется критический диаметр для данной марки стали. Для этого величину а откладываем на верхней масштабной линейке, и отпускаем линию вниз до пересечения с линией соответствий  индивидуальной скорости охлаждения. От точки пересечения откладываем горизонталь до используемой охлаждающей среды: вода, масло или воздух. Найдя точку пересечения опускаем вниз на шкалу критических диаметров.

Химико-термическая обработка (ХТО).

ХТО – это сочетание воздействий на деталь химической среды и теплового воздействия с целью изменения химического состава и свойств поверхности детали.

ХТО делится на:

1.ХТО с насыщением не металлами (C, N, Si, B).

2.ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn).                    

3.  Многокомпонентная ХТО.       

Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:

1)

2)

3)

   Все эти 3 стадии процесса идут последовательно и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.

   Обычнонаименьшая скорость – это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали. Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:

1)  наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и потребность в большом количестве порошка;

2)  печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.

3)

4)

5)

   Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.                                 

   Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры.

   Если нам известна необходимая толщина насыщенного легирующим элементом поверхностного слоя, топроцессы ХТО ведут до тех пор пока на границе этого слоя не будет достигнута необходимая концентрация этого элемента.

Глубина насыщенного слоя определяется коэффициентом диффузии Д, t– время.

Глубина диффузного слоя в значительной степени зависит от коэффициента диффузии легирующего элемента иот времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя  определяется, прежде всего, временем, но для того, чтобы увеличить толщину слоя в 2 раза необходимо увеличить время обработки (насыщения) в 4 раза. Если взаимодействие легирующего элемента с основным компонентом носит более сложный характер, то структура слоя будет более сложная и будет соответственно отражать фазовый состав, наблюдается на диаграмме состояния, которая образуется при взаимодействии основного компонента с насыщающим элементом.

   Если взаимодействие образуется в несколько фаз (твердых растворов или химических соединений), то все эти фазы будутобразовываться в поверхностном слое в порядке убывания концентраций. Каждый из слоев будет соответствовать отдельной фазе          Двухфазные слои могут образовываться при ХТО только в тех случаях, когда во время охлаждения одна из фаз в результате какой-либо реакции распадается на смесь нескольких фаз.

   Изменение структуры поверхности при ХТО составляет направленную диффузию легирующего элемента. В начале на поверхности образуется зародыши новых фаз, затем они растут в глубь детали, создавая на поверхности характерную столбчатую структуру.

   В нескольких случаях после ХТО проводят дополнительную обработку, включая в себя закалку отпуск для того, чтобы получить необходимую структуру на поверхности нужные свойства.

Насыщение металловнеметаллами.

   Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:

1. Цементация – насыщение углеродом.

2. Азотирование – насыщение азотом.

3. Сульфатирование – насыщение серой.

4. Силицирование – насыщение кремнием.

5. Борирование – насыщение бором.

Возможно также многокомпонентноенасыщение.

Насыщение С и N – нитроцементация

N-S – сульфоазатирование.

1.Цементация стали

Цементация вызывает процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости.Цементацию применяют для деталей, в которых твердость поверхности должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают стали, в которых содержание углерода не превышает 0,1-0,25% С.

Цементацию насыщениемС проводят либо из твердой среды, либо в специальных газовых печах, куда вводятся предельные углеводороды, содержащие большое количество С,твердая среда состоит из угля С = 80%, углекислой соли CaCo_3. Для активного прохождения насыщенности углеродом необходимо обеспечить перенос С от твердого карбюратора на поверхность детали. Этот перенос осуществляется за счет существования газовой фазы, содержащей окись углерода СО. В печах зацементация происходит за счет насыщения безгазовой фазы, доставка С на поверхности детали осуществляется при распаде   предельных  углеводородов. Процесс цементации ведется при высоких температурахпорядка 900 – 950⁰С. Такая температура необходима для перехода структуры в аустенитное состояние.

Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить аустенитную структуру и чтобы не вызвать рост зерна. Продолжительность процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и определяется исходя из скорости насыщения 0,1 мм/час. Общая продолжительность 8-10 часов. После окончания процесса цементации деталь охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.

Если деталь содержит 0,1-0,25 % С, то исходящая структура была Ф+П.

После цементации структура поверхностного слоя соответствует изменением структуры на диаграмме Fe-C. При этом на поверхности детали возникает неблагоприятная структура, в виде сплошной сетки вторичного цементита по границе зерен.

Несмотря на самую высокую твердость цементитная сетка сильно охрупчивает металл и может вызвать выкрашивание поверхности.

   Для исправления структуры и получениянужных свойств детали после цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке. Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующийнизкий отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации применяют одну закалку. Нагревают до 880-900⁰С и охлаждают в масле. Закалка с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В результате вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре160-180º С позволяет уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.

Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам применяют сложную ТО, которая состоит из трех операций.

1.   Высокотемпературная закалка

860-880º С,  которая для крупногабаритных деталей может быть заменена на нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение цементитной сетки.

2.Закалка 760-780º С (обязательная). Повторная закалка позволяет измельчить зерно в стали и соответственно повысить её вязкость.

3.Низкий отпуск (1-2 часа). Цель – снятие закалочных напряжений. Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную структуру в мартенситную.Это обеспечивает увеличение прочности и твердости поверхности.

Окончательные свойства детали получаются после цементации при термообработке, поверхность будет иметь 700-750 НВ (кг/мм²), (58-62 НRО), середина свои свойства не изменяет: 180-200 НВ, (120-140 НRв).

Азотирование.

Это насыщение поверхности детали азотом.

Азотирование проводят в специальных газовых печах, куда помещают детали, а затем подается диссоциированный аммиак, т.е. проходит распад аммиака. Диссоциация аммиакапроходит в специальных автоклапанах в присутствии катализатора. Это нужно для того, чтобы в печь поступали атомы азота.

Температура азотирование 520-550º С, т.е. она не высокая, так как растворимость азота в феррите вполне достаточная. Поэтому азотирование можно проводить после окончаний термообработки, например, после закалки и высокого отпуска. Это позволяет подвергать азотированию уже готовые детали, прошедшие обработку резанием, шлифованием, т.е. не требуется оставлять припуски на окончательную обработку как при цементации.

Низкая температура азотирования не позволяет получить глубокого насыщения поверхностей. Поэтому обычная толщина азотированного слоя 0,3 – 0,5 мм, а продолжительность процесса в 2-3 раза превышает продолжительность цементации.

Для повышения эффекта износостойкости стали подвергаемые азотированиюобычно содержат Cr,Al, Mo. Эти элементы, взаимодействуя с азотом, образуют собственные ингредиенты, которые дополнительно повышают твердость и износостойкость поверхности.

38Х2МЮА – нитролоид.

По сравнению с цементацией азотирование имеет преимущество и недостатки.

Преимущества:

1) Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков.

2) Более высокая твердость и износостойкость.

3) Более высокая устойчивая прочность деталей.

4) Более высокая коррозионная стойкость.

5) Более высокая рабочая температура 400-450º С.

Недостатки:

1)Более тонкий слой.

2)Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность           меньше.

Нитроцементация.

         Это ХТО, при которой деталь насыщается одновременно углеродом и азотом. Она направлена на получение свойств, включающих достоинства и цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс называют цианированием.

Процесс нитроцементации проходит по температуре, лежащей ниже температуры цементации, но выше температуры азотирования (830-880º С). Чем выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и, соответственно, результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже температура, тем больше насыщение N и свойства детали ближек азотированию.

Совместное насыщение N и С позволяет сократить продолжительность процесса, а более низкие температуры не позволяют усваиваться зерну, поэтому сталь сохраняет своё вязкое состояние. Применение нитроцементации более прогрессивно, чем чистая цементация. После нитроцементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева.

Сульфатирование

После сульфоазотирования детали легче прирабатываются друг к другу, снижаются потери энергии, затрачиваемой на вращение детали.

Сульфаазотирование чаще проводят из газовой фазы, реже из порошковой засыпки. Глубина насыщенного слоя 0,1-0,2 мм.

Силицирование.

Применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Внедрение Si в поверхность позволяет повысить жаростойкость, т.е. сопротивление поверхности окислению при высоких температурах. После силицирования поверхности образуется окислы кремния, либо двойные окислы FeSi₂O₄- шпилеты.

Температура процесса 1100-1200º С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют SiH₄ – моносилан.

Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al,этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al₂O₃.

FeAl₂O₄.Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

Борирование.

Применяют для инструмента горячего деформированного металла. При насыщение стальных деталей бором на поверхности образуются бориды: FeB, Ke₂B, Fe₄B,которые увеличивают твердость и жаростойкость при температуре 800-1000º С, твердость до 700º С не изменяется совсем. Борирование проводится из порошковых засыпок при температурах 1000-1100º С. Глубина слоя после борирования до 80-200 мкм, но стойкость высокая.

Недостаток – хрупкость поверхности. При ударном воздействии возможно образование микротрещин и скалывание повторного слоя.

Насыщение металлов металлами (диффузионная металлизация).

При насыщении поверхности детали металлами происходит образование твердых ресурсов по типу замещения, т.е. атомы основного компонента замещаются в кристаллической решетке атомами легирующего элемента. Процесс диффузии по типу замещения идет гораздо медленнее, чем по механизму внедрения. Поэтому процесс диффузионной металлизации требует более высоких температур и длительных выдержек. Наиболее часто применяют насыщениеповерхности Al, Cr, Ti, Zn.

Аллитирование.

Применяют для стальных и никелевых деталей с целью повышения жаростойкости поверхности, образуютсяAl₂O₃. Аллитирование можно проводить двумя способами:

1)Аллитирование из порошковой смеси

В этом случае берут порошок FeAl.Нагревают до  температуры 1050-1150º С и выдерживают от двух до двадцати часов. Хлор взаимодействует с Al (ALCL₃) и за счет образования этого хлористого Al происходит перенос Аl на поверхность из порошка.

2)Погружение детали врасплав Аl, выдержка в ванне и затем нагрев до рабочей температуры аллитирования.

Хлорирование.

Хлорирование применяют с разными целями:

1)Для малоуглеродистых сталей с содержанием С<0,4%, с целью повышения коррозионной стойкости поверхности.В этом случае Сr переходит в твердый раствор и если его концепция превышает 13%, то сталь становится коррозионно-стойкой.

Глубина насыщения Сr зависит от эксплуатационных характеристик деталей.

2)%С > 0,41% - средне или высоко углероднаясталь. В этом случае хромирование применяют для повышения твердости и износостойкости поверхности.

Увеличение твердости происходит за счет образования в сталях карбидов хрома, которые и повышают служебные свойства деталей: Сч₂₃С_6.

В отличие от гальваники, ХТО называют твердым хромированием.

Берут порошок FeСr, добавляют Al₂O₃ и NH₄Cl. При хромировании можно получить толщину до 0,2 мм. Мягкое хромирование используется для повышения коррозионной стойкости труб, фланцев.

Титанирование.

Насыщение Ti повышает коррозионную стойкость и повышает кавитационную стойкость.

Насыщение Ti проводят из порошковых смесей FeTi.

Цинкование.

Защищает от коррозии. Насыщение Zn проводят погружением детали в расплав. Температура расплавленного цинка в ванной 350-550º С. Время пребывания в расплавленной ванне 1-10 минут. Толщина цинкового покрытия 10-30 микрон.

Термомеханическая обработка

(ТМО).

Это сочетание пластической деформации и термообработки, при чем наклеп, возникший при деформации влияет на фазовые превращения при термообработке. Различают ТМО стали и стареющих сплавов.

ТМО Сталей.

Применяют 2 вида ТМО: ВТМО и НТМО.

   При ВТМО сталь нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают в область высокотемпературной устойчивости аустенита, проводят горячую диффузию, затем сразу делают закалку и после неё низкий отпуск. Во время горячей деформации аустенита образующийся наклеп частично снимается за счет процессов динамической полигонизации.

Степень диффузии выбирается такой, чтобы не допустить полного снятия наклепа за счет динамической рекристаллизации, т. е. после горячей деформации образуется полигонизованная структура аустенита с большим количеством малоугловых границ.

При закалке образуется мелкоигольчатая структура мартенсита, которая сохраняет повышенную плотность дефектов кристаллического строения аустенита. В результате после ВТМО удается повысить прочность стали на 20- 30 % с сохранением вязкости по сравнению с обычной закалкой.

   При НТМО горячая деформация проводится в области низкотемпературной устойчивости аустенита, т. к. температура диффузии невысокая, то практически весь наклеп сохраняется и наследуется в сталях после закалки. НТМО позволяет резко увеличить дефективность кристаллической решетки и за счет этого повысить прочность почти в 2 раза. Однако при этом снижается пластичность и вязкость приблизительно на 15- 20 %. Проведение горячей деформации при низкой температуре, требует очень мощного оборудования. Поэтому НТМО чаще применяют при прокатке листов, профилей или труб.

   Для того, чтобы проводить ТМО необходимо иметь достаточный интервал устойчивости аустенита. Поэтому ТМО проводят, как правило, для легированных сталей. Легированные элементы смещают вправо с-образные кривые, увеличивая тем самым область устойчивости аустенита.

ТМО стареющих сплавов.

Для стареющих сплавов можно применить НТМО, ВТМО, ВНТМО и ПТМО.

НТМО - низкотемпературная термообработка применяется чаще всего(80%). При НТМО вначале проводится закалка, затем холодная пластическая деформация и последующие старение. При холодной деформации закаленного сплава возникает наклеп, т.е. повышается плотность дефектов кристаллического строения. При последующем старения распадпересыщенного твердого раствора начинается зарождением и появлением упрочняющих фаз на дефектах кристаллического строения, т.е.происходит блокирование дислокаций интерметаллидными фазами и для их  смещения требуется дополнительное усилие. Следовательно, прочность сплава увеличивается.

2. ВТМО – при ВТМО горячая деформация совмещается с нагревом под закалку, однако степень диффузии должна быть такой, чтобы не вызвать снятия наклепа, за счет прохождения динамичной рекристаллизации.

После диффузии в сплаве образуется полигонизованная структура, которая сохраняется и после диффузии и после последующего старения. При ВТМО эффект увеличения прочности достигает 10- 15 % при сохранении вязкости. ВТМО возможна только в тех случаях, когда температура нагрева под горячую деформацию и под закалку совпадают.

3.ВНТМО: сочетание ВТМО и НТМО.

4. ПТМО - предварительная ТМО. При ПТМО деформация (горячая или холодная) проводятся до закалки, поэтому основная задача закалки – это провидение нагрева и охлаждения так быстро, чтобы, не допустить снятия наклепа, т. к. сделать это очень трудно, то ПТМО применяется очень редко.

Легированные и специальные стали.

Легированными или специальными называют такие стали, которые в своем составе кроме углерода содержат еще дополнительные добавки, введенные в состав с целью направленного изменения ее свойств. Такие добавки называются легирующими элементами (добавками). Основное отличие легирующих элементов от примесей заключается в том, что их количество определяется необходимой мерой изменения свойств стали, в то время как для примесей количество определяет допустимую меру ухудшения свойств. Одни и те же элементы могут играть роль примесей или роль легирующих элементов, но примеси попадают в сталь случайно или с шихтой, в то время как легирующие элементы вводятся специально. К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si, Al. Количество вводимых легирующих элементов может изменяться от долей процента до десятков процентов. Влияние легирующих элементов проявляется в изменении структуры и, соответственно, свойств стали.

Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях.

Большинство легирующих элементов, при введении их в сталь, изменяют температуру начала и конца полиморфных превращений.

1. Первая группа легирующих элементов отличается тем, что понижает точку А₃ и повышает точку А₄. В группу входят Ni, Mn, Pt. Введение легирующих элементов, которые понижает точку А₃ и одновременно повышает точку А₄, расширяя область существования аустенита, называют аустенизаторами. При содержании легирующих элементов больше Скр, структура будет аустенитная, без полиморфных превращений.

2. Вторая группа легирующих элементов отличается тем, что повышает точку А₃ и понижает точку А₄. В группу входят Si, Ti, V, Mo. Введение легирующих элементов повышает точку А₃ и одновременно понижает точку А₄. В этом случае происходит замыкание области существования аустенита и, при содержании легирующих элементов больше С_КР, полиморфных превращений в стали не будет. Такие легирующие элементы, которые стабилизируют Феррит, называются ферритизаторами.

Если в сталь вводят  легирующие элементы с различным влиянием на полиморфные превращения, то окончательная структура стали может быть различной, в зависимости от соотношения легирующих элементов и температурного воздействия, т.е. сталь может быть с ферритной, феррит + аустенит, аустенитной структурой.

Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом. Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, K, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность, пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это Ni.

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементамихимических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo. К не карбидообразующим относят Ni, Al, Cu, Si, Mn. Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с одновременным снижением вязкости и пластичности. Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур отжига и закалки. Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки S и E на диаграмме Fe-C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.

Введение легирующих элементов изменяет положение С – образных кривых на диаграмме изотермического превращения аустенита.

Практически все легирующие элементы смещают С – образные кривые вправо, а точки Mn и Mk вниз. И только один элемент является исключением, действует наоборот – это Co. Из-за смещения С – образных кривых вправо, изменяется критическая скорость охлаждения при закалке.

При содержании легирующих элементов более 15-20%, интервал перлитного превращения смещается вправо настолько, что при охлаждении на воздухе превращение не наступает вовсе. Начало и конец мартенситного превращения смещается в область отрицательных температур. В результате Аустенитная структура стали сохраняется при любых температурах. Такую сталь называют сталью Аустенитного класса.

Наличие легирующих элементов в стали делает более устойчивым закаленное состояние, т.е. мартенсит сохраняется при нагревании в процессе отпуска до более высоких температур. Так, если в обычной углеродистой стали мартенсит превращается в троостит уже при нагревании до 250º С, то в легированных сталях мартенсит может сохраняться до температур 450-550º С. Это позволяет использовать такую сталь при работе, например, с более высокими скоростями резания, или в качестве инструмента для горячей штамповки.

Изменение твердости легированной стали при отпуске.

Сохранение твердости легированной стали до более высокой температуры отпуска объясняется повышенной устойчивостью мартенсита, а также выделением из него при отпуске огромного количества мельчайших карбидов легирующих элементов: Cr, W, Ti. Этот эффект называется дисперсионным или вторичным твердением.

Маркировка легированной стали.

Для маркировки легированной стали принята буквенно-цифровая форма, в которой каждому легирующему элементу присвоена своя буква, а цифра, которая следует за этой буквой показывает среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание элемента близко к единице, то никакой цифры не ставится.

Условно любую марку модно представить как четыре отдельные части.

1.Она может быть или не быть, обычно это буквы. Первая часть показывает на назначение стали: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – режущая (быстрорежущая).

2.Здесь всегда находятся цифры, показывающие содержание в стали углерода.                               

10, 20, 40 – в сотых долях процента (любая сталь, кроме инструментальной). Если стоит одна цифра 2-9, то это содержание углерода в десятых долях процента. Если нет цифры, то содержание примерно 1%.

3.Обозначение легирующих элементов и их количество.

А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д – медь (Cu),    

Е – селен Se), К – кобальт (Co), М – молибден (Mo), Н – никель (Ni), П – фосфор                                                                            ( P), Р – бор (B), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Х – хром (Cr), Ф – ванадий   (V).

Если цифры нет, то содержание легирующих элементов 1%. Любая цифра равна числу процентов. Исключения В – 0,003%, N – 0,02-0,05%, Se – 0,3%. Иногда в маркировке появляется цифра 1: 15Х1МФ – содержание Cr больше 1%, но меньше 2%.

4.Буквенная часть. Буквы в конце марки показывают качество стали или метод ее очистки:

А – более высокое качество, т.е. пониженное содержание вредных примесей (30ХГСА)

Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком.

СШ – синтетическим шлаком.

ВД – вакуумно-дуговой переплав.

Исключения (маркировка для служебного пользования).

1.Шарикоподшипниковые стали: ШХ6, ШХ9, ШХ15. Цифра показывает содержание хрома не в целых, а в десятых долях процента.

2.Режущие стали: Р9, Р18, Р6М5. Цифра после буквы Р показывает содержание не углерода, а вольфрама в целых процентах. Углерода в таких сталях одинаковое количество – 1,2%.

3.Марки для служебного пользования. Эти марки не расшифровывают химический состав, а показывают на завод-изготовитель (Э – электросталь, Д – днепроспецсталь). Вторая буква может быть или не быть: И – исследовательская, П – пробная.

Классификация легированной стали.

Одной общепринятой классификации легированной стали, в настоящий момент, не существует, и поэтому принято разделять легированные сталипо нескольким признакам:

      1. Классификация по структуре в равновесном состоянии (после медленного          охлаждения). Разделяют на 4 группы:

1). Равновесное состояние

     Доэвтектоидная

      Эвтектоидная

      Заэвтектоидная

      Ледебуритная (карбидная)

2).   По структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).

2. Классификация по качеству (по содержанию вредных примесей)

1. Обыкновенного качества (S – 0,03%, Р – 0,04%)
2. Качественная сталь (S – 0,025%)
3. Высококачественная сталь (S – 0,015%)
4. Особо высококачественная сталь

      Качество влияет на прочность, стойкость против разрушения.

3.Классификация по содержанию легирующих элементов.

Малолегированная сталь – до 2,5% легирующих элементов.   

Среднелегированная сталь – 2,5-10% легирующих элементов.

                  Высоколегированная сталь – более 10% легирующих элементов.

      Если содержание железа не менее 45%, то – это сталь. Если меньше, то –сплав.

4.   Классификация по назначению

                  Конструкционные стали: детали машин, конструкции, узлы, механизмы.

                  Инструментальные стали

                  Стали и сплавы со специальными свойствами.

Конструкционные стали.

Понятие о конструкционной прочности

Под конструкционной прочностью понимают способность всей конструкции длительное время надежно работать в различных условиях эксплуатации без катастрофических разрушений. Конструкционная прочность – это интегральная характеристика, объединяющая в себе несколько групп факторов.

1.Металлургические факторы (природа материала). Сюда относят химический состав, микроструктуру, кристаллическую решетку, наличие дефектов, полиморфных превращений и т.д.

2.Конструктивно-силовые факторы. Сюда относят конструкцию, напряженно-силовое состояние, масштабный фактор, фактор формы и т.д.

3.Внешние факторы. Сюда относят наличие агрессивных сред, электромагнитных полей, абразивного износа, температуру.

Для того, чтобы успешно противостоять всем разрушающим факторам при выборе материала для той или иной детали, необходимо учитывать целый ряд параметров.

Выбор стали для деталей конструкционного назначения.

1. Прочность.

Первой характеристикой, по которой осуществляют выбор стали для той или иной детали, является прочность. Однако прочность конструкции рассчитывается иногда не из предела прочности σ_В, а исходя из предела текучести σ_0,2, т.к. величина 0,2 – это δ=0,2%, т.е. максимально допустимая деформация. Если деформация будет больше, то искажение формы детали приведет к отказу механизма в результате заклинивания или разрушения. Поэтому при выборе стали под ту или иную деталь прочность оценивается по пределу текучести.

2. Критический диаметр.

Большинство конструкционных деталей при изготовлении подвергается упрочняющей термообработке, при этом свойства стали после термообработкив значительной мере зависят от того, прокалилась ли деталь насквозь или нет. Если деталь массивная и не содержит легирующих элементов, то после закалки сердцевина останется незакаленной. Такие детали будут плохо работать на растяжение, и особенно плохо будут противостоять знакопеременным нагрузкам, т.е. сопротивляться усталости. Поэтому для деталей, работающих на удар или на усталость, всегда ставятся требования сквозной прокаливаемости. Прокаливаемость стали оценивается по критическому диаметру. Критический диаметр – максимальный диаметр, который может закалиться насквозь в заданном охладителе. Таким образом, при выборе марки стали максимальный размер детали в сечении должен быть меньше или равен критическому диаметру. 

Для удобства выбора той или иной марки стали для деталей различного размера, применяются специальные таблицы, в которых все стали расставлены исходя из двух параметров – предела текучести после термического улучшения и критического диаметра.

Табл.

3. Хладноломкость.

4. Ударная вязкость. Если детали предназначены для работы при отрицательных температурах, а так же условиях ударного нагружения, т.е. динамических нагрузок, то следующими параметрами, по которым проводится дальнейший выбор стали, являются температура полухрупкости Т₅₀, а так же ударная вязкость аn или вязкость разрушения К_1С. Температура полухрупкости показывает температуру, при которой 50% излома носит вязкий характер, 50% - хрупкий. То есть это границы хладноломкости детали. Зная рабочую температуру, всегда нужно выбирать такую сталь, чтобы граница хладноломкости была на 20-40º С ниже рабочей. Для снижения хладноломкости вводят Ni, Mo. Вязкость стали зависит от размеров зерна: чем мельче зерно, тем выше вязкость. Для повышения вязкости вводят Ni, Mo, Mn, W.

5. Дополнительные факторы. Если по условиям работы детали подвергаются дополнительным видам износа (абразивный износ поверхности, окисление поверхности в агрессивных средах, воздействие повышенных температур), то кроме типовых факторов при выборе марки стали учитываются и дополнительные, и подбираются соответствующие меры для противодействия разрушающим факторам (поверхностная закалка, ХТО, поверхностный наклеп, обдувка дробью, песком).

Низкоуглеродистые цементуемые стали.

Эта группа сталей предназначена для изготовления деталей, обладающих повышенной твердостью, прочностью, износостойкостью поверхности и одновременно вязкой сердцевиной. Количество углерода в этих сталях 0,1-0,25%. Введение дополнительных легирующих элементов необходимо, прежде всего, для повышения прочности сердцевины. Слой цементации 0,6-1,2 мм, температура цементации 950-980º С, выдержка, исходя из скорости цементации,0,1мм/час. При массовом производстве цементацию проводят в газовых печах, при штучном или мелкосерийном производстве – в твердой среде (засыпают углем). Если цементация проводится в газовой печи, то закалка производится непосредственно при выходе из печи, т.е. без дополнительного нагрева. После цементации все детали подвергаются упрочняющей термообработке, для ответственных деталей – двойная закалка (первая закалка – 850-870º С, вторая закалка – 760-780º С) + низкий отпуск (180-200º С), для неответственных деталей – одна закалка с цементационным нагревом (930-950º С) + низкий отпуск (180-200º С). Иногда вместо первой закалки применяют нормализацию (измельчение зерна, устранение цементитной сетки). Цементируемая сталь содержит Cr, W, Ti – карбидообразующие, Ni, Si, Cu – не карбидообразующие. Карбидообразующие элементы повышают твердость поверхности.

1. Стали с не упрочняемой сердцевиной – ст.10, 15, 20 (простые углеродистые).

2. Стали со слабо упрочняемой сердцевиной – ст. 15Х, 15ХР, 15ХГР.

3. Стали с сильно упрочняемой сердцевиной – ст. 12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХНВА, 18ХГТ, 25ХГТ.

Среднеуглеродистые цементуемые стали.

Детали ответственного назначения работают, как правило, в условиях знакопеременных, ударных нагрузок и поэтому требуют применения сталей, сочетающих такие характеристики как высокая прочность, вязкость, а так же сопротивление усталостному разрушению. Такие характеристики можно получить в среднеуглеродистой стали, т.е. содержащей 0,25-0,55% углерода.

1. Если к такой стали применить полную закалку и низкий отпуск, то можно получить очень высокий предел прочности, но при этом очень маленький запас вязкости. Поэтому чаще всего после закалки такую сталь подвергают высокому отпуску. При этом предел прочности несколько понижается, но зато удается получить максимально высокую вязкость, т.е. получить максимально высокую конструкционную прочность. Сочетание полная закалка (820-850º С) + высокий отпуск (550-650º С) применяется для улучшаемых сталей. Структура после такой закалки – сорбит. Границ зерен не видно. Максимально высокая усталостная прочность достигается только при условии однородной структуры, поэтому в этом случае детали должны иметь сквозную прокаливаемость. Если после закалки в центре детали структура будет перлитная, то такая деталь будет плохо сопротивляться усталости.

2. Но для обеспечения сквозной прокаливаемости требуется иметь максимально высокий критический диаметр, т.е. максимально возможный диаметр, на который прокаливается деталь в данном охладителе. Критический диаметр, т.е. прокаливаемость, зависит от многих факторов. Но главным из них является наличие легирующих элементов (кроме кобальта, легирующие элементы смещают с-образные кривые вправо, увеличивают устойчивость аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения). 

В результате при закалке скорость охлаждения даже массивных деталей становится выше критической, и деталь закаливается насквозь, т.е. основным механизмом влияния легирующих элементов на данную сталь является увеличение прокаливаемости стали.

3. Многие детали из улучшаемой стали работают в условиях поверхностного износа (в условиях трения). Сопротивление износу обеспечивает высокая твердость, но после высокого отпуска твердость стали составляет 23-25 HRC и ее недостаточно. Поэтому как дополнительный вариант упрочняющей термообработки для таких деталей применяют поверхностную закалку или ХТО (азотирование). Добавки V, Ti образуют очень стойкие карбиды, которые не растворяются при нагреве под закалку, поэтому сдерживают рост аустенита. В результате сталь получается мелкозернистой и имеет высокую вязкость. Mo и W вводят в сталь для уменьшения отпускной хрупкости 2 рода. Буква А в конце означает уменьшенное содержание вредных примесей S и P.  

Выбор той или иной марки стали из этой группы проводится, прежде всего, по пределу прочности и по критическому диаметру. Для этого пользуются таблицей, где все стали размещены по категориям прочности и критическому диаметру. По критическому диаметру улучшаемые стали разделяют на 5 групп:

1. Критический диаметр до 20 мм при охлаждении в воде. В эту группу входят все простые углеродистые стали 30, 35, 40, 45, т.е. практически нелегированные (самые дешевые и легкодоступные).

2. Критический диаметр 20-40 мм при охлаждении в масле. В эту группу входят стали 35Х, 40Х, 45Х.

3. Критический диаметр 40-60 мм. В эту группу входят стали 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40Г2, 40ХГР, т.е. стали, содержащие добавки Cr, Mn, Si.

4. Критический диаметр до 100 мм. В эту группу входят стали 30ХН3А, 35ХМ, 40ХН, т.е. стали, содержащие Cr, Ni.

5. Критический диаметр свыше 100 мм (до 1000 мм). В эту группу входят стали 38Х2Н2МА, 35ХН3МА, 40ХНМА.

Высокоуглеродистые пружинные, рессорные стали.

1. Основное требование к пружинно-рессорной стали – это максимальный предел упругости. Величина предела упругости зависит в основном от количества углерода в стали: чем его больше, тем выше предел упругости.

2. Второе требование – высокая релаксационная стойкость (против снижения предела упругости).

3. Стойкость при усталостном нагружении. Требуется высокое качество поверхности, дополнительная обработка наклепом (дробь, песок), чтобы не возникли трещины усталости.

Термообработка пружинных сталей.

При изготовлении пружин пользуются как горячей, так и холодной деформацией. Горячая деформация используется при изготовлении крупногабаритных пружин большого сечения.

После горячей навивки применяют закалку и средний отпуск, структура - троостит. Он представляет собой мелкопластинчатую структуру, которая обладает минимальным запасом вязкости, но, так как пружины должны работать только на упругость, то вязкость не является ограничением.

При изготовлении пружин небольшого поперечного сечения можно использовать патентирование, т.е. изотермический отжиг с последующей холодной деформацией. После изготовления и термообработки пружины подвергают тщательной обработке поверхности (шлифовка, полировка, покраска), чтобы устранить концентраторы напряжений для последующего устранения усталостных трещин. Повысить усталостную стойкость можно также обработкой, создающей поверхностный наклеп.

Стали для холодной штамповки.

К этим сталям относят, прежде всего, малоуглеродистые стали с содержанием С =0,05 – 0,2%. Основные требования:

1. Высокая штампуемость, т.е. способность принимать объемную форму из плоской заготовки.
2. Высокое качество поверхности детали после холодной штамповки.

Эти требования обеспечиваются:

1. Механическими свойствами.
2. Химическим составом.
3. Структурой.

Требования по механическим свойствам:

1. Минимальная твердость (HRB) < 45 единиц (55 единиц – для легированных сталей).
2. Высокий предел прочности σ_В, низкийσ_Т (

     

3. Высокая пластичность.

Требования по химическому составу:

1. Содержание С<0,2%
2. Суммарное содержание легирующих элементов меньше 1-1,5%
3. Минимальное содержание примесей.
4. Нежелательное присутствие растворенных газов.

Требования по структуре:

1. Зерно должно быть средним (6-8 балл). Мелкое зерно вызывает повышенную твердость, лист становится более жестким. Из-за этого быстро изнашиваются штампы. Если зерно крупное, то резко ухудшается качество поверхности. Возникает “апельсиновая корка”.

2. Недопустима разнозернистость, т.к. крупное зерно при пластической деформации утоняется более быстро, чем мелкое, поэтому в этих местах появляются трещины, надрывы, приводящие к браку.

3. Перлит в этих сталях желательно иметь зернистый, а не пластинчатый. Стали с пластинчатым перлитом имеют меньшую пластичность. Нежелательно расположение перлита в виде сетки по границам зерен, т.к. это снижает пластичность стали.

Листовую заготовку для холодной штамповки получают холодной прокаткой. Лист послехолодной прокатки сильно упрочняется, и не может быть сразу подвергнут холодной штамповке. Для снятиянаклепа перед холодной штамповкой используют рекристаллизационный отжиг. Этот отжиг проводят при температуре 680º С. Отжиг проводятлибо для рулонов, тогда используют камерную печь (выдержка 6-8 часов). В специальных непрерывных агрегатах проводится отжиг движущейся ленты. При непрерывных агрегатах температурный режим обеспечивает одинаковую структуру по всей длине ленты. Высокое качество поверхности изделия зависит от склонности стали к деформационному старению. Деформационное старение это эффект увеличения предела текучести из-за повышенного содержания в сталях газов.

1. – кривая растяжения сталей, склонных к деформационному старению.
2. -кривая растяжения сталей, не склонных к деформационному старению.

Деформационное старение возникает блокированных дислокаций примесными атомами, которые образуют целые атмосферы. Для начала пластической деформации необходимо оторвать дислокации от этих атмосфер. Для этого требуется более высокое напряжение. Из-за этих атмосфер пластическая деформация развивается по объему металла неравномерно. В результате на поверхности стального листа возникает целая сетка линий скольжения, которая выглядит как тонкие царапины. Для их устранения требуется дополнительная отделка поверхности, что не всегда возможно. Чтобы предотвратить появление линий скольжения, сталь склонную к  деформационному старению перед холодной штамповкой подвергают небольшой пластической деформации на прокатном стане или в правильной машине.

Малая пластическая деформация позволяет устранить зуб текучести. 2% вполне достаточно, чтобы оторвать дислокации от примесных атомов. Такая предварительная пластическая деформация называется дрессировкой. После дрессировки эффект деформационного старения вновь проявляется примерно через 10-15 дней. Поэтому дрессировку необходимо проводить перед холодной штамповкой. Для того, чтобы сделать сталь нечувствительной к эффекту деформационного старения, в нее в качестве добавок в небольшом количестве вводят Al (0,02-0,04%), V (0,2%)

В результате образуются AlN, VN. Атомы азота остаются неподвижными, эффект деформационного старения исчезает.

Марки сталей, используемых для холодной штамповки: 08кп, 05кп – хорошая пластичность, дешевые; 08пс, 08сп – сталь более жесткая; 10, 15, 20, 10кп, 10пс, 10сп.

Нестареющие стали: 08Ю, 08Ф, 10ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ.

ДФМС – двухфазные мартенситные стали.

Низкий предел текучести, высокий предел прочности.

Химический состав:

пластичность 0,03-0,06% С, 0,5% Cr, 0,2% Mn, 0,5-1,5% Si. Сталь с таким химическим составом после охлаждения, после горячей прокатки или после специальной термообработки, которая заключается в быстром охлаждении с температурой между точками Ас1 и Ас3, имеет структуру Феррит + Мартенсит (М – 10-30%). Феррит обеспечивает высокую пластичность, низкий предел текучести. Мартенсит обеспечивает высокий предел прочности (

Высокопрочные стали

К ним относятся стали с σв > 1400-1500 мПа. Самые прочные достигают σв=3000 мПа.

Так же обладают высоким пределом текучести σт > 1350-1400 мПа, т.е. стали -  высокопластичные. Высокопрочные стали применяются в авиации и ракетной технике, т.к. они позволяют при заданной прочности снизить вес конструкции. Чтобы получить высокую прочность необходимо провести соответствующее легирование, обеспечить высокую чистоту металла, получить структуру за счет термообработки, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Высокую прочность, твердость можно получить и в обычных углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но при этом такая сталь обладает высокой хрупкостью, т.е. не может сопротивляться ударным нагрузкам. Поэтому такие стали отнести к высокопрочным можно лишь условно. К высокопрочным сталям относят те стали, которые обладают высоким сопротивлением к хрупкому разрушению К_1С = 200-300 кДж/м².

Для повышения вязкости стали, в нее обычно вводят большое количество Ni, Mo, Mn. Для повышения прокаливаемости сталь должна содержать Cr, Si. Для образования упрочняющих интерметаллидных фаз добавляют Ti, Al, W. Несмотря на то, что С – самый сильный упрочнитель, повышение его концентрации ведет к снижению вязкости. Поэтому содержание С <0,3-0,4%. А в некоторых сталях, где требуется высокий запас вязкости содержание С <0,03%. Многие марки сталей выплавляют таким образом, чтобы добиться в них повышенного содержания азота. Азот вместе с углеродом образует в сталях карбиды, которые эффективно упрочняют сталь. В зависимости от химического состава и свойств высокопрочные стали делят на несколько групп:

НУС – низкоуглеродистые стали.

СУС – среднеуглеродистые стали.

ВУС – высокоуглеродистые  стали.

МСС – мартенситностареющие.

МАС – стали с метастабильным аустенитным состоянием.

Низкоуглеродистые стали

К низкоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,15% .

Для повышения вязкости в сталь вводят 1-2% Mn.

Для повышения прокаливаемости в сталь вводят 0,5-1% Cr.

Низкоуглеродистые стали подвергают закалке (500-600º С) и низкому отпуску.

После термообработки получается отпущенный мартенсит. Упрочнение происходит за счет образования карбидов, нитридов, а также интерметаллидных фаз.

Самая дешевая сталь – 14Г2АФ.

Самая дорогая – 14ХГН2МДАФ.

Предел прочности в сталях σв<1000-1500 мПа.

Среднеуглеродистые стали.

Данные стали применяются для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, крепежных деталей.

Химический состав: 0,3-0,4% С, 1-2% Mn, 1-2% Ni, 0,5-1% Cr, 0,5-1,5% Si, 0,2-0,4% Mo, до 0,2% Ti.

Типовой режим термообработки: полная закалка + отпуск (200-400º С)

Основные стали группы: 30ХГСН2А, 40ХСН2МА.

Высокоуглеродистые стали.

К высокоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода до 0,7% .

Их основное назначение – это получение канатной проволоки. При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П и тут же подвергают холодной деформации – волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклепа позволяет получить в проволоке σв=3000-5000 мПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.

Мартенситно-стареющие стали.

Из всех высокопрочных сталей они наиболее часто используются. Это объясняется сочетанием высоких механических свойств (стали хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью, они не меняют своих размеров при закалке, не подвергаются объемным изменениям). Основным отличием является полное отсутствие углерода (менее 0,03%). Упрочнение происходит за счет термообработки, которая включает в себя закалку (900-1000º С) и последующее старение (350-480º С).

После закалки эти стали имеют безуглеродистый мартенсит. Поэтому не обладают высокой прочностью. В таком состоянии стали могут подвергаться пластической деформации, обработке резанием, шлифованием. Окончательно высокие механические свойства достигаются, когда полностью готовое изделие подвергается старению.

В процессе старения внутри мартенсита выделяются интерметаллидные фазы, которые располагаются вокруг дислокаций и блокируют их перемещение. В результате резко увеличиваются прочность и твердость. Чтобы получить такие свойства, сталь должно содержать Ni – 12-20%, Co – 8-12%, Mo – 5-10%, Ti – 1-2%, Cu до 0,5%. Большое количество Ni ведет к резкому понижению температуры начала мартенситного превращения. Наиболее широко известная марка: Н18К9М5Т.

Стали с метастабильным аустенитным состоянием.

В настоящее время эти стали обладают наивысшим сочетанием прочности и вязкости. Поэтому являются самыми надежными конструкционными материалами. Сочетание высоких механических свойств обеспечивается технологией их обработки, а так же химическим составом: С до 0,3%, Ni до 25%, Mo до 4%, Mn 10-12%, Cr 10-12%, Si до 2%.

Большое количество Ni, Mo, Mn ведет к тому, что после закалки мартенситного превращения не происходит, т.е. структура остается аустенитной. Если такую сталь подвергнуть деформации, то возникающий наклеп переводит аустенит в нестабильное состояние. Степень деформации выбирается такой, чтобы получить в данной сталь неустойчивое состояние, т.е. последующее охлаждение или дополнительная деформация будут вызывать в стали мартенситное превращение. Переход аустенита в мартенсит будет наблюдаться не во всем объеме детали, а лишь в тех местах, где появляются микротрещины. Образование микротрещин сопровождается локальной пластической деформацией ее вершины, но эта деформация вызывает мартенситное превращение, в результате чего прочность в этом месте увеличивается и разрушение прекращается. Металл сам себя “лечит” в тех местах, где появляются разрушения. Такой эффект самоупрочнения в процессе эксплуатации позволяет деталям работать длительное время без разрушения. Недостаток таких сталей – высокая стоимость, необходимость проведения теплой деформации Tдеф=300-500º С, требуется мощное оборудование. По такой технологии можно выпускать отдельные виды полуфабрикатов (листы, профили круги).

Основные стали: 25Н24М4, 24Н21Г2С2М4, 30Х10Г10 и 14Х14АГ12.

Шарикоподшипниковые стали.

Шарикоподшипниковые стали по назначению относят к конструкционным, но по химическому составу они попадают в область инструментальных сталей и находятся как бы на границе. Основные требования определяются назначением:

1. Высокая статическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку с минимальной деформацией (ε < 0,01%).

2. Высокая контактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в стали неметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и дают начало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкости стали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали от вредных примесей.

3. Высокая твердость

4. Высокая износостойкость. Эти два требования зависят от содержания карбидов в стали. Наличие карбидов хрома влияет на твердость и износостойкость.

5. Сквозная прокаливаемость. Глубина прокаленного слоя – 95% мартенсита. Для повышения прокаливаемости вводят Cr, Mn, Si. Si затрудняет распад мартенсита при отпуске. Это дополнительно сохраняет твердость.

Для обеспечения этих требований шарикоподшипниковые стали содержат С 0,95-1,15%, Cr 0,6-2%, Mn 1%, Si 1%.

Маркировка: Первая буква Ш показывает, что это шарикоподшипниковые стали, Х – хром в десятых долях процента: ШХ6 – 0,6% Cr, ШХ15 – 1,5% Cr, ШХ20 – 2% Cr.

Для подшипников сталь выбирают по прокаливаемости:

ШХ6 – до 5-6 мм.

ШХ9 – 10-15 мм.

ШХ15 – до 30 мм.

ШХ15СГ – свыше 30 мм.

Термообработка: закалка 840-860º С (маленькие шарики охлаждают в масле, большие – в воде), отпуск 180-200º С.

После термообработки структура – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными мелкими карбидами Cr. Браком является карбидная неоднородность, т.е. грубое выделение карбидов по границам зерен, а так же карбидная полосчатость структуры.

Рабочий интервал температур: от –40º С до +200º С.

8Х4В9Ф2Ш – от 200º С до 600º С.

Инструментальные стали.

Основные требования к инструментальным сталям:

1. Высокая твердость. Обеспечивается химическим составом и термообработкой. Химический состав: C, Cr, W, V, Mo, Ti, Nb, Co (карбидообразующие элементы).

Термообработка: а) закалка + низкий отпуск; б) термообработка на дисперсионное твердение для высоких рабочих температур. Высокую твердость обеспечивают карбиды.

Если сталь должна сохранять твердость до температур 500-600º С, то применяют термообработку на вторичную твердость. Для этого проводят закалку стали с максимально высокой температурой, что обеспечивает растворение карбидообразующих элементов в аустените. После закалки такой стали образуется мартенсит, в котором в твердом растворе находится большое количество легирующих элементов. В процессе последующего отпуска происходит распад мартенсита и одновременно выделение из него большого количества вторичных карбидов. Выделение карбидов сохраняет твердость в стали до температур 500-600º С. Дальнейшее увеличение температуры ведет к укрупнению карбидов, в результате твердость постепенно падает.

2. Вязкость необходима для инструментов, работающих с ударными нагрузками. Чем выше ударная нагрузка, тем выше запас по вязкости. Вязкость – свойство противоположное твердости, поэтому увеличение требований по вязкости ведет к снижению твердости.

3. Износостойкость. Работа любого инструмента связана либо со снятием стружки с заготовки, либо с изменением формы заготовки, что сопровождается течением металла по поверхности. Такие условия работы вызывают изнашивание поверхности. Чем дольше сопротивляется износу сталь, тем дольше служит инструмент.

4. Теплостойкость (красностойкость) – стойкость против отпуска, т.е. сохранение твердости при повышенной температуре. Теплостойкость чаще используется для штампов, красностойкость – для режущего инструмента. Они обеспечиваются термообработкой и химическим составом.

5. Прокаливаемость. Для большинства инструментов требуется сквозная прокаливаемость.

По назначению инструментальные стали делят на четыре группы:

1. Стали для режущего инструмента.

2. Стали для штампов холодной штамповки.

3. Стали для штампов горячей штамповки.

4. Стали для измерительного инструмента.

Стали для режущего инструмента.

Из этих сталей изготавливают резцы, сверла, метчики, плашки, фрезы.

Стали для режущего инструмента делят на:

1. Углеродистые стали.

2. Углеродистые легированные стали.

3. Быстрорежущие стали.

(1). Углеродистые стали: У7-У13.

Достоинство таких сталей – дешевизна, недостаток – неглубокая прокаливаемость, т.е. при охлаждении в воде такая сталь прокаливается на 10-15 мм, в масле не более 5 мм. Такая сталь может быть использована для мелкого инструмента. Но этот недостаток может быть и достоинством, если сталь работает в условиях динамического разрушения (ручной инструмент). Углеродистые стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую твердость – 50-60 единиц. Но у этих сталей невысокая красностойкость. При увеличении температуры на режущей кромке выше 350º С, происходит потеря твердости и так называемая посадка режущей кромки, т.е. ее затупление. Поэтому инструмент изуглеродистой стали может работать только с невысокими скоростями резания. Он предназначен для ручной работы или для работы в условиях интенсивного охлаждения.

Термообработка: закалка (У7-У8 – 800-820º С, У9-У13 – 750-780º С) + низкий отпуск (160-180º С – 61-63 HRC, 200-220º С – 57-59 HRC). Углеродистые стали используют для изготовления инструменты, работающего при ударных нагрузках (долото, зубило).

(2) Углеродистая легированная сталь. Для повышения прокаливаемости при изготовлении крупного инструмента, а так же для повышения красностойкости в углеродистую сталь вводят Cr, Si, Mn, W, V. V образует труднорастворимые карбиды, которые сохраняются при нагреве до очень высоких температур. Эти карбиды располагаются на границах зерен и поэтому сдерживают рост зерна, предотвращая перегрев стали.

Группа а. – стали с неглубокой прокаливаемостью. Cr до 0,7%, W 1,5-5%, V до 0,3%.

7ХФ, 9ХФ – используются для изготовления сверл, метчиков, плашек.

Термообработка: закалка 740-760º С, охлаждение в воде или масле + низкий отпуск.

Группа б. – стали глубокой прокаливаемости. Cr до 1,7%, W 1-2%, Mn 1-2%, Si до 1%.

9Х, Х, 9ХС, ХГС, ХГВ – предназначены для изготовления крупного инструмента.

Термообработка: закалка 830-850º С + низкий отпуск 180-200º С.

Стали, содержащие ванадий, позволяют регулировать глубину прокаленного слоя за счет температуры закалки.

(3) Быстрорежущая сталь. Позволяет повысить скорость резания в 10 раз. Для того чтобы повысить скорость резания необходимо резко увеличить красностойкость. Это можно сделать за счет карбидов W, V, Co,Mo. Карбиды этих элементов при нагревании стали до 550-600º С не изменяют своих размеров и неизменной остается твердость.

Состав быстрорежущей стали: С 0,9-0,95%, Cr 3,8-4,2% (обеспечивает прокаливаемость стали, карбиды Cr повышают износостойкость), W 3-18% (обеспечивает красностойкость). Для повышения режущей способности и красностойкости в сталь вводят Co 5% (в некоторых случаях до 20%), V 3%. Стали, содержащие Co, V, используют для обработки нержавеющих, жаростойких, титановых сплавов.   

Технология обработки быстрорежущей стали включает в себя:

1. Получение слитка или порошковой заготовки.

2. Предварительная обработка, необходимая для получения равномерной структуры, однородного распределения карбидной фазы и минимальной твердости перед изготовлением инструмента.

3. Окончательная термообработка, необходимая для придания инструменту служебных свойств.

Получение слитка (или порошковой заготовки) быстрорежущей стали затруднено сильной карбидной ликвацией, т.е. большое содержание карбидообразующих легирующих элементов вызывает появление в этой стали ледебуритной эвтектики. Для устранения химической неоднородности, а так же крупных карбидов, слитки подвергают высокой гомогенизации и последующей горячей деформации. Горячая деформация проводится в разных направлениях для раздробления и измельчения карбидов. Чем мельче карбиды, тем выше свойства стали. Максимально мелкие и равномерно распределенные карбиды можно получить, используя технологию порошковой металлургии. Для этого расплавленный металл не отливают в слиток, а распыляют в мелкий порошок. Образовавшийся порошок подвергают горячему прессованию. В результате заготовка имеет однородную структуру с очень мелким распределением карбидной фазы по объему. Назначение предварительной обработки – снижение твердости. Для этого проводят изотермический отжиг при температуре 840-860º С, затем проводят медленное охлаждение со скоростью 40º/час до температуры 720-740º С. Потом охлаждают со скоростью 50º/час до 600º С и твердость составляет 23-25 HRC.

После этой обработки структура будет представлять собой сорбидообразный перлит. Окончательная  обработка включает закалку и многократный отпуск при одной температуре 500-550º С и продолжительностью 1 час. Температурная остановка 840º С, чтобы не было растрескивания.

Для быстрорежущей стали применяют высокотемпературную изотермическую закалку. Нагрев заготовок ведут в расплавах солей, чтобы предотвратить окисление поверхности и выгорания легирующих элементов и углерода. В процессе нагрева делают одну или две температурных остановки для выравнивания температуры по сечению детали. Температура закалки лежит вплотную к точке А₄, это необходимо для растворения высокотемпературных карбидов. Однако выдержка под закалку должна быть короткой, чтобы не произошло укрупнения зерна. Закалка проводится с охлаждением в горячей среде, либо ступенчатая, либо изотермическая (чтобы выровнять температуру по сечению и не допустить растрескивания). Окончательное охлаждение производится на воздухе. Закаленная по такому режиму сталь имеет структуру мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. После изотермической закалки фазовый состав быстрорежущей стали состоит из 15-25% карбидной фазы МеС, 50% мартенситной фазы и 20-25% остаточного аустенита. В сплавах с большим содержанием Со количество остаточного аустенита может достигать 40%. Остаточный аустенит является нежелательной фазой, т.к. понижает твердость стали, поэтому сразу после закалки быстрорежущую сталь подвергают многократному отпуску. Отпуск проводится при температуре 500-560º С в течение 1 часа. Во время первого отпуска происходит снятие закалочных напряжений за счет перехода мартенсита закалки в мартенсит отпуска, а так же за счет выделения из остаточного аустенита избытка легирующих элементов в виде карбидов. При охлаждения стали после отпуска аустенит превращается в мартенсит, однако это превращение происходит не полностью. После первого отпуска количество остаточного аустенита составляет 12-15%. Для дальнейшего уменьшения остаточного аустенита проводят вторую ступень отпуска. В это время происходит отпуск вновь образовавшегося аустенита и дальнейшее выделение карбидов из оставшегося остаточного аустенита. После охлаждения 2 ступени оставшийся остаточный аустенит переходит в мартенсит, количество его 5-6%, поэтому проводят 3 ступень отпуска. Проходят те же процессы. После 3 стадии содержание остаточного аустенита не должно превышать 1-2%. Если количество остаточного аустенита больше 2%, то проводят еще один отпуск.

Основные марки: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р9М5Ф2, Р6М5К5. Самая теплостойкая – В11М7К23.

Твердые сплавы.

Твердые сплавы относят к режущим материалам, но они не являются сплавами на железной основе. Они представляют собой карбиды различных металлов, скрепленные между собой металлической связкой. В качестве карбидов используют: WC, TiC, TaC. В качестве связки используют Co, Ni. Изготавливают твердые сплавы методом порошковой металлургии. Первоначально карбиды смешивают с порошком Co и добавляют пластификатор (грубый парафин). Смесь подвергают холодному прессованию, получают заготовку. Заготовку отправляют в вакуумную печь, где при температуре 1500-1800º С происходит выгорание пластификатора. Одновременно происходит расплавление металлической связки. В результате частицы карбидов оказываются плотно связаны между собой. Далее идет заточка. После может проводится напыление нитрида титана TiN.

Штамповые стали.

Используются для изготовления инструмента, работающего без снятия стружки.

Стали для штампов для холодной деформации.

Стали с повышенной износостойкости применяются для разделительных штампов, а так же для штампов, работающих с малой относительной скоростью перемещения заготовки относительно штампа. Так как разделительные операции связаны с резанием металла, для штампов такого назначения применяют режущие стали У7-У13, легированные 7ХФ, 9ХФ, 11ХФ (с невысокой прокаливаемостью) и 9Х, Х, 9ХС, ХГС (с высокой прокаливаемостью). Выбор стали определяется размерами, т.е. прокаливаемостью, стоимостью.

Такой вид штамповки предполагает скольжение металла в заготовке по поверхности штампа. Такое скольжение быстро изнашивает штамп, что требует его ремонта или замены.Поэтому для сталей, используемых для изготовления штампов требуется высокая износостойкость. Износостойкость зависит от твердости. В результате количество карбидов примерно 18-22%. Большой недостаток хрома – его склонность к ликвации. В результате возникает карбидная неоднородность. После горячей ковки такой заготовки карбидную неоднородность удается уменьшить, но полностью устранить не получается. Возникает полосчатость. Такой дефект может вызвать преждевременный износ в виде изнашивания или расслоения. Чтобы уменьшить карбидную неоднородность Cr частично заменяют Mo, V, W. Такая замена позволяет повысить твердость штампа.

Основные стали: Х6ВФ, Х6Ф4, Х12М, Х12М, Х12Ф, Х12.                            

Термообработка такой стали включает в себя высокотемпературную закалку при температуре 950-1050º С и низкий отпуск 170-190º С. Твердость после термообработки HRC 62-64. нагрев под закалку ведут очень медленно, чтобы нагрев был равномерный. Охлаждение проводится в масле, либо проводят изотермическую закалку. Особенность стали заключается в высокой стойкости против отпуска. Структура стали: мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Остаточный аустенит добавляет вязкость стали, но тем не менее ее не достаточно, поэтому штампы не могут работать с резкими ударными нагрузками.

Стали с повышенной теплостойкостью. Из этих сталей изготавливают инструмент для холодной объемной штамповки. Работа инструмента холодной объемной штамповки сопровождается его разогревом в поверхностном слое до температуры 500-550º С. поэтому на первое место в списке свойств выходит высокая теплостойкость. Для обеспечения высокой теплостойкости применяют специальные стали, которые выдерживают длительную работу при такой температуре. Содержание С снижают до 0,8-1%, т.к. ударные нагрузки. Cr до 4%, Mo, V, W – 1-2%. Количество карбидной фазы 10-15%.

Основные стали: 8Х4В2М2Ф2, 8Х4В3М3С.

Термообработка: высокотемпературная закалка 1050-1100º С + трехкратный отпуск 550-560º С (чтобы убрать остаточный аустенит).

Стали с высокой ударной вязкостью.

Стали для инструмента горячей штамповки. При горячей обработке давлением заготовка предварительно нагревается в печи до рабочей температуры, затем перемещается в штамп, где происходит ее деформирование.

Условия работы инструмента горячего деформирования очень тяжелые. Переменные ударные нагрузки сочетаются с изменением температуры поверхности. Во время деформирования горячей заготовкиповерхность инструмента разогревается , затем после удаления штамповки поверхность охлаждается. Изменение температуры поверхности ведет то к расширению, то к сжатию. В результате на поверхности появляются микротрещины. С течением времени они увеличиваются и могут привести к выкрашиванию поверхности. Это явление называется термической усталостью или разгаром. Скольжение горячего металла по поверхности штампа происходит с большой скоростью. В результате поверхность штампа сильно разогревается. Это ведет к отпуску металла, снижению твердости и быстрому износу. Резкие ударные нагрузки вызывают повышение давления внутри штампа. Это может вызвать появление усталостных трещин. Особенно часто они появляются в местах с малым радиусом закругления. Такие условия работы штампов требуют от сталей, из которых они изготовляются, своего комплекса свойств:

1.Теплостойкость.

2.Необходимая ударная вязкость.

3.Высокая разгаростойкость.

4.Прокаливаемость.

5.Окалиностойкость.

6.Твердость и износостойкость.

7.Стойкость против налипания.

Стали горячей штамповки делят на 3 группы:

1.Стали с повышенной вязкостью.

2.Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

3.Стали с высокой теплостойкостью.

.

1.Стали с повышенной вязкостью.

Эти стали предназначены для изготовления молотовых штампов.

Основные стали: 5ХНМ; 5ХГМ; 5ХВН.

Чтобы обеспечить высокую вязкость содержание углерода должно быть меньше 0,5%, должны быть легирующие элементы: Mn, Ni, Mo.

Термообработка должна обеспечивать максимальную вязкость: закалка 920-950º С + отпуск 500-550º С. прокаливаемость 300-500 мм (более 500 мм обеспечивает сталь 5Х2МН7 после закалки 980-1020º С).

2.Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

Данные стали предназначены для изготовления штампов, работающих на гидравлических прессах. Давление в штампе 2000-2500 мПа.

Требуются следующие свойства:

1.Высокая теплостойкость.

2.Высокая вязкость.

3.

Основные стали: 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 4Х5В2ФС.

Термообработка: закалка 880-1050º С + высокий отпуск 550-650º С.

3.Стали с высокой теплостойкостью.

Данные стали предназначены для штамповки жаропрочных, коррозионностойких титановых сплавов.

Основная сталь: 3Х2В8Ф.

Повышения стойкости поверхности после горячей штамповки можно достичь методом ХТО (азотирование, хромирование, насыщение поверхности бором).

Стали для волков прокатных станов делятся на две группы:

1.Стали для волков холодной прокатки.

2.Стали для волков горячей прокатки.

1.Стали для волков холодной прокатки.

Данные стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, хорошей прокаливаемостью, необходимым запасом вязкости, хорошей полируемостью.

ø 200 мм – стали 9Х, 9ХФ, 9ХВФС.

ø 200-400мм – сталь 9Х2Ф.

ø 400-600 мм – сталь 60ХВС.

2.Стали для волков горячей прокатки.

Данные стали должны обладать высокой теплостойкостью, вязкостью.

Термообработка: закалка + высокий отпуск.

Стали для измерительного инструмента.

Требования предъявляемые к сталям:

1.Размерная стабильность

2.Высокая износостойкость.

3.Высокая твердость.

4.Высокая шлифуемость, полируемость.

Коррозионностойкие стали

Коррозией называют разрушение металла под действием химического или электрохимического воздействия под действием окружаемой среды. Основные факторы воздействия коррозии и ее влияние на экономику:

1.Экономический фактор – экономические потери промышленности в результате коррозии.

2.Надежность эксплуатации объектов или машин.

3. Экологический фактор.

Виды коррозии:

1.Равномерная (поверхностная).

2.Местная (точечная).

3.Межкристаллитная (по границам зерен).

4.Коррозия под напряжением (ножевая).

5.Электрохимическая коррозия.

Межкристаллитная коррозия (МКК).

Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов, которые вызывают его пассивацию. Пассивация – эффект создания на поверхности стальной детали тонкой защитной пленки, подслоем которой является кислород. Результат – электронный потенциал становится положительным и поверхность становится менее склонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно влияет Cr.

Химический состав: Cr 13-30%, Ni 4-25%, Mo до 5%, Cu до 1%. В зависимости от содержания легирующих элементов структура и свойства сталей могут быть различными. Если сталь содержит в основном Cr, который стабилизирует феррит, то сталь будет ферритной (низкая твердость, низкая прочность, высокая пластичность). Если сталь содержит в себе кроме CrC, то ее структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можно прогнозировать ее свойства и назначать режимы термообработки. Для определения, к какому структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера.

Экв. Ni = %Ni + 30(%C) + 0,5(%Mn).

Экв. Cr = %Cr + %Mo + 1,5(%Si) + 0,5(%Nb).

Cr повышает коррозионную стойкость только в том случае, когда его количество в растворе превышает 13%. Если количество Cr не слишком высоко и при этом сталь содержит много углерода, то происходит взаимодействие Cr и С с образованием карбидов. Особенно энергично образование карбидов наблюдается на границах зерен. При этом количество Cr в твердом растворе снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятся незащищенными. В результате коррозия легко может пересылаться по границам, не затрагивая центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды по границам зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше 13%. Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуются карбиды по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счет диффузии из центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкость восстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr на границах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь склонна к межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной к межкристаллитной коррозии, нужно:

1.Понизить содержание углерода и азота.

2.Вводить в сталь другие карбидообразующие элементы более сильные, чем Cr (Ti, Nb).

3.Увеличить скорость охлаждения при термообработке.

4.Делать отжиг.

Хромистые нержавеющие стали.

Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α – фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.

Термообработка хромистых сталей.

Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τ_minпри появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариант отжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре 650º С.

Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350º С. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С).

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

1.Cr – 13-28%.

2.С – 0,05-1%.

3.Ti, Nb < 1% - вводятся для стабилизации стали.

4.Ni, Cu, Mo – вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

1.Cr 13%.

2.Cr 17%.

3.Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем

По содержанию углерода стали делят на:

1.Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).

2.Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).

3.Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).

4.Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Ti и Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах – 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от –150 до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С – воздух) + отжиг (250-350º С).

Хромоникелевые стали.

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr,Ni, то температура не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:

Fe – Ni – Cr(04ХН40МДТЮ).

Ni – Cr(ХН45В).

Ni – Mo(Н70МФ).

Cr – Ni – Mo(ХН65МВ).

Жаростойкие стали и сплавы (ЖСС).

Под жаростойкостью понимают способность стали сопротивляться окислению при высоких температурах.

При нагревании железа выше 700º С основным окислом на его поверхности является FeO. Кристаллическая решетка этого окисла  неплотная и содержит большое количество вакансий. По вакансиям происходит диффузия

Для повышения жаростойкости в сталь добавляют легирующие элементы, которые входят в состав окислов FeO, располагаются в вакансиях и делают окисел более плотным. Если количество легирующих элементов велико, то они образуют двойные окислы (FeCr₂O₄, FeAlO₄).Если легирующих элементов много, то они могут образовывать свои собственные окислы. Жаростойкие стали и сплавы делятся на ферритные, мартенситные и аустенитные.

Жаростойкие стали ферритного класса (сильхромы).

Данные стали обладают высокой твердостью, прочностью, сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью. Они предназначены для длительной работы с постоянным воздействием ударных нагрузок. Основные стали: 40Х6С (800º С), 40Х7С6М (850º С), 40Х9С2 (900º С), 40Х10С2М (950º С), 30Х13Н7СМ (1100º С).

Термообработка: закалка + высокий отпуск.

Жаростойкие стали аустенитного класса.

Основные стали: 08Х18Н10Т (700º С), 08Х22Н20С2 (1100º С), 08Х28Н20 (1100-1150º С). Если требуется достичь температур 1100-1200º С, то используют нихромы (Ni-Cr): ХН80, ХН78Т.

Жаропрочность сталей и сплавов.

Под жаропрочностью понимают способность металла сопротивляться нагрузкам при повышенных температурах. Жаропрочность оценивается двумя показателями:

1.Предел длительной прочности, т.е. способность металла без разрушения выдерживать нагрузки при заданной температуре.

такая запись показывает, что данный сплав гарантированно без разрушения в течение 100 часов при температуре 700º С выдерживает нагрузку 50 мПа.

2.Предел ползучести.

Предел ползучести показывает, что данный металл или сплав при температуре 750º С под нагрузкой 100 мПа в течение 1000 часов изменит свои размеры не более, чем 0,1%. Основной механизм пластической деформации при высоких температурах – это диффузионная пластичность, т.е. последовательное перемещение атомов кристаллической решетки в направлении прикладываемой нагрузки. Наиболее энергично диффузия развивается при наличии дефектов кристаллической решетки (точечных, линейных и поверхностных). Наибольший вклад в этот процесс вносят поверхностные дефекты, особенно границы зерен. При повышении температуры силы связи между атомами ослабевают, поэтому наблюдается проскальзывание отдельных зерен друг относительно друга, т.к. именно на границах зерен наблюдается большое количество разорванных связей. То есть прочность границ при высоких температурах меньше, чем самих зерен. Поэтому в жаропрочных материалах всегда добиваются разнозернистой структуры или даже монокристаллической. Затруднить процесс ползучести можно так же блокируя перемещения дислокаций. Для этого необходимо вводить в сплав специальные легирующие элементы, которые образуют на плоскостях скольжения карбидные и интерметаллидные фазы. Дислокации, натыкаясь на эти фазы, тормозятся. Чем мельче эти фазы и чем их больше, тем интенсивнее процесс торможения и тем выше сопротивление ползучести. Наиболее сильно проявляется ползучесть при увеличении температуры выше температуры рекристаллизацииметалла – основы сплава. Для повышения температуры начала рекристаллизации вводят легирующие элементы, которые повышают порог рекристаллизации.

1.Для получения жаропрочного металла необходимо выбирать в качестве металла – основы сплава такие, у которых силы связи между атомами максимальны, т.е. металлы, обладающие наиболее высокой температурой плавления (Mg-651º С, Al-660º С, Ni-1442º С, Fe-1533º С, Ti-1668º С, Co-1830º С, Mo-2100º С, W-3430º С). При выборе металла – основы для жаропрочных сплавов необходимо учитывать наличие в данном металле полиморфных превращений. Т.к. смена кристаллической решетки при полиморфном превращении приводит к разупрочнению металла и к потере всех механических свойств. Полиморфное превращение затрудняет создание высокожаропрочных сплавов на базе Fe или Ti.

2.Легирующие элементы. Для создания жаропрочных сплавов необходимо вводить легирующие элементы, которые увеличивают силы связи в кристаллической решетке. А во-вторых, образуют в сплаве интерметаллиды и карбиды, препятствующие перемещению дислокаций. Одновременно с введением легирующих элементов необходимо обеспечивать чистоту сплава от вредных примесей. Вредными считаются легкоплавкие примеси, а так же любые другие элементы, вызывающие хрупкость.

3. Структура. Чтобы получить необходимую рабочую структуру для жаропрочных материалов, разработаны соответствующие режимы термообработки. Для получения крупнозернистой структуры, применяют высокотемпературный нагрев и длительную выдержку. При этом в раствор переходит большая часть легирующих элементов. Охлаждение проводится очень быстро (на воздухе или в воде) для фиксации пересыщенного твердого раствора. После закалки делается высокотемпературное старение.

Классификация жаропрочных сплавов.

Основные требования:

1.Максимально высокий предел длительной прочности.

2.Минимальная ползучесть в рабочем интервале температур.

3.Высокое сопротивление усталости, нечувствительность к концентраторам напряжений.

4.Максимально возможное сопротивление газовой коррозии.

5.Удовлетворительные технологические свойства (обрабатываемость давлением, литейные свойства, свариваемость).

1).150-250º С – сплавы на основе Mg.

2).250-350º С – сплавы на основе Al.

3).350-450º С – сплавы на основе Ti.

4).450-600º С – теплоустойчивые стали.

а) до 500º С – котельные стали (15К, 18К, 20К).

б) до 550º С – 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ.

в) до 600º С – 15Х5, 15Х5ВФ, 14Х12В2Ф.

Основное требование для теплоустойчивых сталей – длительная безаварийная работа (100000 – 300000 часов).

Термообработка: закалка + высокий отпуск (t_отп > t_раб).

5).600-700º С – аустенитные стали на основеγ-Fe.

а) 10Х18Н14Т – гомогенные стали (не упрочняемые термообработкой). Применяется закалка (для получения однородной аустенитной структуры). Иначе такая термообработка называется аустенизацией.

б) 40ХН14В2М – тяжело нагруженные детали. Применяется закалка + отпуск. В процессе отпуска выделяются карбиды по границам зерен, что позволяет упрочнять сплавы.

в) 10Х11Н20Т3Р – карбидно – интерметаллидное упрочнение. Применяется закалка + старение. Закалка позволяет получить насыщенный твердый раствор. Старение позволяет получить выделение карбидов и интерметаллидов.

6).700-800º С – сплавы на обнове Fe-Ni. ХН32Т, ХН35ВТЮ.

7).800-900º С – сплавы на основе Ni. ХН77ТЮР, ХН72МБТЮ.

Термообработка: высокотемпературная закалка 1130-1170º С + старение 700-750º С. После выделения карбидной фазы проводят несколько низкотемпературных старений 500-550º С.

8).до 1000º С – литейные сплавы. ЖС3, ЖС6, ВЖЛ14, ВЖЛ32.

Цветные сплавы.

Al и его сплавы.

Сплавы делят на две группы. Алюминиевые сплавы принято классифицировать по технологическому признаку, базируясь на диаграмме состояния. Алюминий со всеми легирующими элементами образует диаграммы состояния с эвтектикой. Если в сплаве образуется эвтектика, то она располагается по границам зерен, препятствуя пластической деформации. Чем больше эвтектики, тем выше литейные свойства. Все сплавы, содержащие в составе эвтектику, называют литейными сплавами. Сплавы, в которых эвтектика не образуется, хорошо поддаются пластической деформации, поэтому называются деформируемыми сплавами. По отношению к термообработке все алюминиевые сплавы принято разделять на упрочняемые и не упрочняемые. Упрочнять алюминиевые сплавы можно только за счет закалки без полиморфного превращения, т.е. за счет ограниченной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. Поэтому все сплавы, лежащие левее линии сольвус, считаются не упрочняемыми термообработкой, т.к. при нагреве и охлаждении никаких фазовых превращений не происходит. Сплавы, лежащие правее линии сольвус, имеют ограниченную растворимость легирующих элементов. В процессе нагрева вторичные фазы растворяются, а при охлаждении снова выделяются. Используя это фазовое превращение, можно упрочнять такие сплавы за счет закалки и старения, поэтому такие сплавы называют упрочняемыми. Упрочнять термообработкой можно как деформируемые, так и литейные стали. В некоторых сплавах количество легирующих элементов невелико, поэтому эффект упрочнения от выделения вторичных фаз так же невелик. Такие сплавы так же считаются не упрочняемыми термообработкой (АМц, АМг).

Термообработка алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы подвергаются отжигу для получения равновесной структуры, а так же закалке и старению с целью упрочнения.

Отжиг алюминиевых сплавов. Для алюминиевых сплавов проводят отжиг на рекристаллизацию, гомогенизацию и для снятия внутренних напряжений.

Гомогенизация алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы отливают в виде слитков с применением специальных кристаллизаторов, охлаждаемых водой. Ускоренное охлаждение слитка ведет к появлению неравновесной структуры, т.е. по сечению слитка наблюдается дендритная ликвация, обратная зональная ликвация, наличие неравновесной эвтектики по границам зерен, выделение крупных интерметаллидов, микропоры. Такая неравновесная структура не обеспечивает высокой пластичности, и поэтому все слитки после кристаллизации подвергают высокотемпературному отжигу – гомогенизации. Температура отжига может быть либо выше, либо ниже температуры неравновесного солидуса. При таком отжиге высокая температура нагрева активизирует процессы диффузии, что позволяет выровнять химический состав по сечению слитка, т.е. устранить дендритную ликвацию. Одновременно с этим происходит растворение крупных частиц интерметаллидных фаз. Исчезают также выделения неравновесной эвтектики по границам зерен. Если гомогенизацию проводится по режиму, когда температура нагрева выше неравновесного солидуса, то нагрев сопровождается местным расплавлением, т.е. образуется жидкость между зернами в местах появления неравновесной эвтектики. Диффузия в присутствии жидкой фазы идет очень быстро, поэтому гомогенизация при такой температуре проходит быстрее. После выравнивания химического состава неравновесные фазы исчезают, устраняется и жидкая фаза. Слиток охлаждается.

Отжиг на рекристаллизацию.

Применяется для алюминиевых полуфабрикатов после холодной деформации для снятия наклепа. Алюминиевые сплавы легко поддаются всем видам ОМД. Как правило, слиток первоначально подвергают горячей деформации (происходит уплотнение металла: заварка всех пор, разбиваются и измельчаются интерметаллидные фазы). Горячая деформация, как правило, не позволяет получить точных размеров, не обеспечивается высокое качество поверхности. Поэтому после горячей деформации проводится холодная деформация, которая обеспечивает высокую точность и    качество поверхности. Однако возникающий наклеп увеличивает прочность и жесткость металла. Для устранения наклепа применяют рекристаллизационный отжиг. В процессе рекристаллизационного отжига за счет процессов первичной и собирательной рекристаллизации происходит замена старых деформированных зерен на новые. Наклеп исчезает и металл снова можно подвергать пластической деформации. Разновидностью отжига на рекристаллизацию является отжиг на полигонизацию. Он проходит при температуре, которая ниже температуры отжига на рекристаллизацию. Во время этого отжига не происходит замены структуры, и снятие наклепа осуществляется частично за счет перераспределения дислокаций. После такого отжига металл сохраняет часть наклепа и имеет полутвердое состояние. Такой вид отжига применяют для сплавов, которые не упрочняются закалкой, т.е. увеличить прочность можно за счет частичного или полного сохранения наклепа.

Отжиг для снятия внутренних напряжений.

Применяется для готовых изделий, полученных с применением сварки или неоднородной пластической деформации. Внутренние напряжения в деталях, как правило, нежелательны, т.к. могут привести к короблению или преждевременному разрушению. Поэтому такие детали отжигают. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата, т.е. перераспределения точечных и линейных дефектов. Отжиг для снятия внутренних напряжений не следует путать с отжигом на возврат. Этот термин применяется на заводах для отжига, который используется для устранения в деталях закаленного состояния.

Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов.

Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до температуры выше линии солидус. Выдержка должна быть такой, чтобы обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно. Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени начинает распадаться. Процесс распада называется старением. Процесс распада твердого раствора можно разбить на 4 стадии:

1.В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной формы.

2.Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами Гинье-Престона (ГП).

3.На месте этих зон образуются θ’ – фазы. В зонах, обогащенных медью, образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и упрочняющей фазой.

4.Образуется θ – фаза.

Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки, т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается. На 4 стадии происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше, прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют перестариванием. Если требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3 стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.

Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур. Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее выделений. Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур, близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением. Такой отжиг называют отжигом на возврат.

Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов.

Для алюминиевых сплавов можно применять практически все виды т.м.о. Однако чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.

ВТМО.

Представляет собой сочетание упрочняющей термообработки и горячей пластической деформации. Горячая деформация проводится после нагрева под закалку, а резкое охлаждение проводится сразу после деформации. Деформация позволяет повысить прочность за счет увеличения плотности дефектов кристаллической решетки, т.е. за счет создания наклепа. Степень деформации должна быть такой, чтобы не вызвать начало рекристаллизации, т.е. при температуре деформации проходит только динамическая рекристаллизация. В результате в металле образуется сетка дислокаций, создающая ячеистую субзеренную структуру. Это позволяет не только повысить прочность, но и сохранить высокую пластичность и вязкость. Резкое охлаждение фиксирует эту структуру. Последующее старение ведет к распаду пересыщенного твердого раствора, а выделяющиеся частицы вторичных фаз располагаются вдоль сетки дислокаций, препятствуя их перемещению и способствуя увеличению прочности. Условием для успешного проведения нтмо является условие: Трек > Тзак. Если это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации. Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании. В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al – Mg – Si. В настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).

НТМО.

При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации, повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.  

Сплавы алюминия.

Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.

Химически чистый обозначается А. Далее идут цифры, показывающие его чистоту

Технически чистый алюминий маркируется А. Далее идет цифра, показывающая содержание алюминия.

Деформируемый алюминий.

АД

Основными легирующими элементами, которые вводят в состав сплава, являются Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Li. Их количество может изменяться от 0,5 до 12%. Кроме этих элементов в качестве микродобавок могут вводить Ti, Cr, Fe, Zr, Sc. В качестве маркировки используют 3 схемы:

1.Деформируемый алюминий.

АМц (N) – Al – Mn.

АМg (N) – Al – Mg.

АВ, АД – Al – Mg – Si.

Д1, Д16 – Al – Cu – Mg.

Литейный алюминий.

АЛ (N).

2.Цифровая схема для деформируемых сплавов.

Всего 4 цифры:

1 цифра – основа (Al – 1)

2 цифра – система легирования (0 – чистый алюминий, 1 – Al – Cu – Mg, 2 – Al – Cu – Mn, 3 – Al – Mg – Si, 4 – Al – Mg, 5 – Al – Mg, 9 – Al – Zn – Mg).

3 и 4 цифра – номер сплава.

3.Литейные сплавы.

Аналогична маркировке стали.

А – Al (основа).

2 место – легирующие элементы:

К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Мц – Mn, Н – Ni, Ц – Zn.

После каждой буквы, соответствующей легирующему элементу, стоит цифра, показывающая его содержание в целых процентах. Если цифры нет, то количество легирующего элемента равно 1%.

В зависимости от технологии производства выпускаются полуфабрикаты из алюминиевых сплавов после различных вариантов термообработки. В этом случае к основной маркировке в конце добавляются буквы и цифры, показывающие состояние поставки:

А – плакировка.

Б – технологическая плакировка.

М – отожженный.

П – полунагартованный.

Н – нагартованный.

Т – твердый (закалка + естественное старение).

Т1 – закалка + искусственное старение.

ТН – закаленный, нагартованный и естественно состаренный.

Т1Н – закаленный, нагартованный и искусственно состаренный.

Т1Н1 – закаленный, усиленно нагартован и искусственно состаренный.

Сплавы, не упрочняемыетермообработкой.

К этой группе относятся технический алюминий, деформируемый алюминий, сплавы Al с Mn (АМц), Al с Mg (АМг).

Сплавы AlcMn (АМц).

Mn образует с Al интерметаллидную фазу AlMn_6, которая дает эвтектику при температуре 658º С при содержании Mn 1,95%. Количество Mn, которое может перейти в твердый раствор, составляет 0,5% при 500º С. Несмотря на ограниченную растворимость Mn в Al, эффект от упрочняющей термообработки настолько невелик, что эти сплавы считаются не упрочняемыми термообработкой. Mn повышает прочность Al, при этом сохраняется пластичность, высокая коррозионная стойкость, свариваемость. Поэтому из этого сплава делают листы, ленты для холодной штамповки.

Термообработка: рекристаллизационный отжиг 500º С – 1 час. Увеличение температуры или времени выдержки может привести к крупнозернистости. Для измельчения зерна вводят Ti. Повысить прочность можно только наклепом.

Сплавы AlcMg (АМг).

Mg, растворяясь в Al, сильно увеличивает его прочность. Каждый процент Mg увеличивает прочность на 30 мПа. Однако прочность увеличивается за счет эффекта растворного упрочнения. Выделение вторичной фазы после закалки и старения дает заметный эффект упрочнения только при содержании Mg в сплаве 8%. Сплавы для холодной деформации содержат не более 6% Mg. Эти сплавы также считаются не упрочняемыми.

АМг1 – 1,1% Mg.

АМг2 – 2,5% Mg.

АМг3 – 3,2% Mg.

АМг5 – 5,5% Mg.

АМг6 – 6,5% Mg.

Первые три сплава используются для изготовления листов обшивки.

АМг5 и АМг6 используют в тяжело нагруженных деталях, хорошо свариваются.

Основной вид термообработки: отжиг 450-470º С, продолжительность 0,5-3 часа. Сплавы АМг можно упрочнять деформацией.

Сплавы, деформируемые и упрочняемые  термообработкой.

Сплавы Al – Cu – Mg.

Дюралями называют сплавы Al с Cu, к которым дополнительно добавляют Mg и Mn. Упрочняются эти сплавы за счет закалки без полиморфного превращения и последующего старения. Выделение упрочняющих вторичных фаз позволяет блокировать дислокации и увеличивать сопротивление деформации. Особенностью термообработки дюрали является очень узкий интервал закалочных температур. Если сплав недогреть, то не происходит растворения вторичных фаз и эффекта закалки не будет. Если сплав перегреть, то по границам зерен появляется жидкая фаза, происходит усадка, образуется микропористость и резко снижаются прочность и пластичность. После нагрева и выдержки перенос деталей из печи в закалочный бак должен проводиться очень быстро (не более 30 сек). Поэтому для закалки алюминиевых сплавов строят специальную печь. После закалки проводят старение. Для жаропрочных дюралей применяют искусственное старение (120-160º С) от 4 до 12 часов.

1.Дюрали средней прочности Д1, Д6.

2.Дюрали повышенной прочности Д16.

3.Дюрали жаропрочные Д19, ВАД1.

4.Дюрали повышенной пластичности Д18.

Крупным недостатком являются плохая коррозионная стойкость. Для повышения коррозионной стойкости проводят плакировку. Стали групп 2 и 3 подлежат закалке и искусственному старению.

Сплавы Al – Si – Mn.

Основные стали группы: АВ, АД31, АД33, АД35. Данные сплавы используют для изготовления обшивки самолетов.

Термообработка: закалка 540-560º С (охлаждение на воздухе или в масле) + искусственное старение 160-180º С. Сплавы относятся к среднепрочным.

Сплавы Al – Zn – Mg – Cu.

Основные стали группы: В93, В95, В96, В96ц.

Химический состав: 6-8,5% Zn, 2-2,5% Mg, 1-2% Cu.

Сплавы данной группы обладают повышенной прочностью.

Термообработка: закалка 450-470º С (охлаждение в кипящей воде) + искусственное старение 175º С. Если требуется максимальная вязкость, то сплав подвергают перестариванию (Т2). Высокопрочные сплавы используют для тяжело нагруженных элементов каркаса самолетов. Недостаток данных сплавов – плохая коррозионная стойкость, хрупкость.  

Сплавы Al – Cu – Mn.

Основные стали группы: Д20.

Данные сплавы являются жаропрочными.

Рабочие температуры от –250º С до 250º С.

Упрочняются термообработкой, хорошо свариваются, имеют хорошую коррозионную стойкость.

Сплавы Al – Zn – Mg.

Основные стали группы: 1915, 1925.

Понижено количество Zn. Данные стали разработаны для замены АМг6. Стали хорошо свариваются, имеют хорошую коррозионную стойкость. Упрочняются термообработкой (закалка + старение). Сплавы относятся к среднепрочным.

Сплавы АК.

Основные стали группы: АК4, АК41, АК6, АК8, АК10, АК12.

Эти сплавы для горячей штамповки. Сплавы относятся к группе высокопрочных. Они упрочняются термообработкой (закалка + старение), не поддаются сварке.

Добавки Fe и Ni позволяют получить в сплаве труднорастворимые упрочняющие фазы.

Поэтому детали не теряют прочности при температуре 300º С. Вместе с тем при нормальной температуре прочность и пластичность меньше, чем у дюралей.

Сплавы Al – Li – Cu, Al – Li – Mg.

Li имеет хорошую растворимость и упрочняет сплав. Введение Li повышает упругость и жесткость конструкции. Сплавы имеют плохую технологичность и сильно окисляются.

Специальные алюминиевые сплавы.

Основные стали группы: САП1, САП2, САП3.

После прокатки получают либо листы, либо профили. При этом основа сплава – чистый алюминий. А в качестве упрочняющей фазы выступает окись алюминия, в которую покрыты частицы порошка. При горячей деформации окисная пленка дробится, измельчается и равномерно распределяется по всему объему полуфабриката. В процессе нагревания такая окисная пленка не растворяется вплоть до расплавления, что позволяет сохранить прочность при рабочих температурах до 350º С. Эти сплавы являются самыми жаропрочными. При нормальной температуре прочность и пластичность хуже, чем у дюралей. А максимальная жаропрочность зависит только от количества окислов внутри металла. Если в качестве исходных материалов брать более мелкий порошок, то объемная доля окислов увеличивается, соответственно увеличивается сопротивление деформации. Поэтому, изменяя размер порошка, изменяют количество окислов.