1.2 Режимы термической обработки стали
Слитки из стали 18ХГТ, предназначены для передела на блюминге, передаются для нагрева под прокатку непосредственно после затвердевания в изложницах в горячем состоянии. Для уменьшения деформации деталей их следует подвергать по возможности меньшему числу нагревов. Поэтому после прокатки заготовки охлаждают в ямах замедленного охлаждения, с целью использования тепла прокатного нагрева до температур Ас3+(50-60ОС) или Т=875-885 ОС, дальнейшее охлаждение на воздухе (рисунок 1.4).
Такая обработка после прокатки вызывает фазовую перекристаллизацию стали, и следовательно устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, а также снижает внутренние напряжения. Твердость составит 157-207 НВ [6].
Обрабатываемость резаньем является комплексным понятием; она характеризуется стойкостью инструмента, производительность резания, качеством обработки поверхности, видом образующейся стружки и зависит от свойств и структуры обрабатываемого материала.
Рисунок 1.4 – График охлаждения заготовок из стали 18ХГТ после прокатки на блюминге 950/900
Поковки из цементуемых сталей марок 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ и др. подвергаются изотермическому отжигу или нормализации. Наилучшая обрабатываемость резаньем обеспечивается при однородной дифференцированной феррито-перлитной структуре с равноосными зернами и определенным соотношением твердости этих структурных составляющих. Оптимальная твердость феррита 1400-2200 МПа, твердость перлита не должна превышать 3000 МПа. Если твердость составляющих выше этих приделов, то увеличивается износ режущих инструментов, если ниже, то – ухудшается чистота обрабатываемости поверхности. Разность значений твердости перлита и феррита должна быть минимальной, во всяком случае, она не должна превышать 700-800 МПа. Не допускается наличие в структуре продуктов промежуточного превращения (с твердостью 3500 МПа) и сплошных включений карбидов по границам зерен. Такую структуру обеспечивает изотермический отжиг (рисунок 1.5).
Температура аустенитизации обычно принимают в пределах 870-920 оС в зависимости от марки стали. Время выдержки при этой температуре приблизительно 1 час. Увеличение температуры нагрева повышает устойчивость переохлажденного аустенита и не обеспечивает его распада по перлитному механизму при последующей изотермической выдержки за технологически приемлемое время.
Охлаждение от температур аустенитизации должно быть ускоренным (в течение 4-12 минут) и обычно осуществляется потоком подогретого воздуха примерно до 350 оС в специальных камерах агрегатов изотермического отжига. При более медленном охлаждении после завершения изотермического распада возникает полосчатая феррито-перлитная структура, связанная с направлением предварительной деформации, что при резанье ухудшает чистоту обрабатываемой поверхности.
Изотермическая выдержка осуществляется при температурах 620-660 оС.
Следует также отметить, что достаточно широко для поковок из цементуемых марок сталей используется нормализация. Структура и свойства по сечению поковок при нормализации менее однородны, количество феррита меньше. Это обеспечивает лучшую обрабатываемость резаньем[10-14].
Изотермического отжиг применяется для уменьшения твердости, чтобы обеспечить обрабатываемость резаньем и для получения равноосной однородной феррито-перлитной структуры.
Рисунок 1.5 – График изотермического отжига шестерни из стали 18ХГТ.ит
Схематично структура стали представлена на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Схема микроструктуры шестерни из стали 18ХГТ после изотермического отжига.
Содержание углерода в поверхностном слое после насыщения должно составлять 0,8-1,0 %. При меньшем уровне снижается контактная выносливость стали, при более высоком содержании возрастает хрупкость и снижается усталочная прочность изделий.
Твердость поверхности деталей после цементации и термической обработки должна быть в пределах 58-62HRC.
Оптимальная структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит с небольшими равномерно распределенными изолированными участками остаточного аустенита. Полное отсутствие остаточного аустенита( за исключением случаев специальной многократной термической обработки после цементации) свидетельствует о недостаточном насыщении или плохих условиях охлаждения при закалке. Недопустимы карбиды в виде сетки, а также крупные изолированные карбиды, так как при этом возрастает хрупкость стали.
Толщина диффузионного слоя влияет, прежде всего, на контактную выносливость и усталостную прочность изделия. При малой толщине слоя возможно продавление при контактных нагрузках, либо преждевременно усталостное разрушение в виду недостаточной прочности стали во всей зоне действия высоких рабочих нагрузок. При излишне большой толщине слоя уменьшаются остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, и снижается усталостная прочность изделия.
Наиболее высокая усталостная прочность получается при толщине слоя 10-15% от толщины упрочняемого сечения.
Структура сердцевины должна состоять из малоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью 29-43HRC. выделение феррита, особенно по границам зерен, не допускается, даже если твердость сердцевины находится в допустимых пределах, так как в этом случае резко снижается усталостная прочность изделий.
Наследственно мелкозернистая сталь 18ХГТ после проведения режима насыщения сохраняет аустенитное зерно не крупнее 6-8 балла, что позволяет использовать непосредственную закалку.
Для деталей из легированных наследственно мелкозернистых сталей используют непосредственную закалку с подстуживанием до 800-850 оС(выще температуры Аr3 сердцевины). Подстуживание способствует уменьшению коробления деталей и повышению твердости поверхности за счет уменьшения количества остаточного аустенита. Зерно стали при такой обработки не измельчается, но она широко применяется для ответственных деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей (с титаном) и подвергнутых газовой цементации. Отпуск цементованных деталей проводят при температуре 180-200 оС [15-16].
Режим цементации и последующей термической обработкой представлен на рисунке 1.7
Рисунок 1.7 – Режим ХТО шестерни из стали 18ХГТ