Практические вопросы термической обработки стали

Закалка стали состоит в нагреве до температуры аустенитизации, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью не менее критической скорости закалки.

Температуру нагрева под закалку выбирают в соответствии с критическими точками данной марки стали. Для нелегированных сталей температуру нагрева можно в первом приближении определить по диаграмме состояния Fe-Fe₃C.

Д ля доэвтектоидных сталей оптимальная температура закалоч-ного нагрева равна t_з=: А_с3 + 30…50. Таким образом, сталь должна быть полностью аустенитизирована. Если при нагреве в структуре стали останется некоторое количество феррита, то в результате закалки получится структура мартенсит и феррит. Присутствие феррита в структуре закаленной стали снижает её твердость и является дефектом термической обработки, который называется недогрев.

Для заэвтектоидной стали, напротив, оптимальным является нагрев под закалку в межкритическом интервале температур А_с3- А_с1, а именно: t_з= А_с1+ 30…50. Для высокоуглеродистых сталей выполняют, так называемую, неполную закалку, в результате которой стараются получить структуру мартенсита с глобулярными включениями цементита. Такая структура соответствует принципу Шарпи и обладает высокой износостойкостью. Полная аустенитизация сталей с высоким содержанием углерода снижает твердость и износостойкость закаленных изделий вследствие роста действительного зерна аустенита и образования крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита.

Время нагрева под закалку включает продолжительность собственно прогрева изделия до заданной температуры, а также изотермическую выдержку для выравнивания состава аустенита по всему сечению металла: _з=_н+_в.

Время нагрева (_н) зависит от нагревательной способности среды, от размеров и формы деталей, от способа укладки деталей в печи. Время выдержки (_в) определяется скоростью фазовых превращений, степенью перегрева и дисперсностью исходной структуры. Для крупных деталей _н_в.

В технической литературе существует множество справочных данных для назначения времени нагрева, приблизительно этот технологический параметр можно рассчитать по формуле:

,

где D – характеристический размер (минимальный размер максимального сечения), например для пластины это толщина сечения, мм;

К₁ – коэффициент нагревающей среды: для газа он равен 2, для расплава солей – 1, для расплава металла – 0,5;

К₂ – коэффициент формы детали: для шара он равен 1, для цилиндра – 2, для параллелепипеда – 2,5; для пластины – 4;

К₃ – коэффициент равномерности нагрева: в случае всестороннего нагрева он равен 1, для одностороннего – 4.

Приведенные значения этих эмпирических коэффициентов справедливы для расчета времени нагрева до температур 800…900 С. Время прогрева детали до более высоких температур будет меньше расчетного, а до более низких температур прогрев будет идти медленнее.

Атмосфера нагревательной печи может взаимодействовать с материалом деталей, вызывая, во-первых, обезуглероживание её поверхностных слоев по реакции: [С] + О₂  СО₂, во-вторых окисление стали: 2[Fe] + O₂  2[FeO].

Интенсивность окисления и обезуглероживания усиливается с повышением температуры, увеличением времени нагрева и окислительной способности печной атмосферы, а также она зависит от состава стали.

Для безокислительного (светлого) нагрева применяют контролируемые печные атмосферы, газовую смесь для которых приготавливают в специальных устройствах или непосредственно на входе в печное пространство.

Для безокислительного нагрева применяют также нагрев в расплавленных солях и металлах. Составы некоторых соляных ванн для нагрева под разные виды термической обработки приведены в таблице 2.

Таблица 2. Составы и характеристики соляных ванн для термической обработки сталей и сплавов.

Состав соляной ванны	Температура плавления соляной смеси, tпл, С	Рабочая температура соляной ванны, С	Область применения
BaCl2	900	1000-1300	Нагрев под закалку быстро-режущих и нержавеющих сталей
78% BaCl2 + 22%NaCl	640	750-900	Нагрев под закалку угле-родистых и низколегирован-ных сталей
NaNO3	310	400-550	Отпуск, охлаждение при ступенчатой закалке
50%NaNO3 + 50%KNO3	220	300-400

О хлаждение при закалке сталей производят в различных закалочных средах с разной охлаждающей способностью. Правильно выбранная закалочная среда, с одной стороны, должна обеспечить на заданном расстоянии от поверхности скорость охлаждения не менее критической скорости закалки для данной марки стали. С другой стороны, в интервале температур затрудненной пластической деформации, где термические и фазовые напряжения не могут релаксировать и возникает опасность закалочных трещин, интенсивность охлаждения должна снижаться. Таким образом, оптимальная кривая охлаждения должна выглядеть следующим образом:

Вокруг нагретой детали при погружении её в закалочную жидкость образуется паровой слой, начинается стадия пленочного кипения жидкости. Паровая рубашка затрудняет теплоотвод от поверхности детали и снижает интенсивность её охлаждения. По мере снижения температуры детали характер кипения окружающей её закалочной жидкости сменяется жидкости на пузырчатое кипение. Паровая рубашка вокруг детали разрывается, у её поверхности происходит активное перемешивание жидкости, и как следствие, интенсивность охлаждения резко увеличивается. Когда температура детали снижается ниже точки кипения жидкости, наступает следующий этап конвективного теплоотвода, характеризующийся малой интенсивностью охлаждения. Закалочные среды характеризуются разной интенсивностью охлаждения, и пузырьковое кипение у них развивается в разных температурных интервалах. Характеристики основных закалочных сред приведены в таблице.

Таблица 3. Характеристики закалочных сред

Закалочная среда	Температурный интервал пузырькового кипения, С	Относительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипения
Вода, 20 С	400-100	1
Горячая вода, 80 С	250-100	0,2
1%-й водный раствор NaCl	500-100	1,5
10 %-й водный раствор NaCl	600-100	3,0
Минеральное масло, 20…200С	500-250	0,3

Из данных, приведенных в таблице, видно, что достаточно высокая охлаждающая способность воды может быть в несколько раз увеличена путем растворения в ней соли или также значительно снижена при подогреве. При этом подсаливание воды значительно расширяет температурный интервал пузырькового кипения в сторону повышенных температур, обеспечивая критическую скорость закалки для большинства сталей. Но нижняя температурная граница этой интенсивной стадии кипения и в чистой, и в соленой, и даже в подогретой воде не поднимается выше 100С, что вызывает опасность образования закалочных трещин, особенно в деталях сложной геометрии из легированных сталей с высоким содержанием углерода.

Для закалки таких изделий используют минеральное масло, которое имеет оптимальный интервал пузырькового кипения и обеспечивает скорость охлаждения выше критической, не вызывая коробления деталей и образования трещин.

Для обеспечения качественной закалки деталей сложной формы используют различные способы, различающиеся схемами охлаждения, рис. 36.

1 - закалка в одной охлаждающей среде (для деталей сечением 2…5 мм из углеродистых сталей – вода; при меньшем сечении и для деталей из легированных сталей – масло);

2 – прерывистая закалка поочередно в двух средах, например до температуры 300…350С охлаж-дение в воде, затем - в масле. Такой способ закалки снижает уровень закалочных напряжений и опасность трещинообразования;

3- ступенчатая закалка, при которой деталь помещают в соляную ванну с температурой на 30…50С, где она быстро охлаждается до температуры ванны во всех точках своего сечения, затем охлаждение в любой среде с низкой интенсивностью теплоотвода, например, на воздухе, во время которого происходит мартенситное превращение переохлажденного аустенита;

4 – изотермическая закалка, нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой 250…350С, где выдерживается до полного превращения аустенита в верхний или нижний бейнит. Твердость стали после изотермической закалки на бейнит несколько ниже, чем у стали с мартенситной структурой, выше ударная вязкость, что повышает эксплуатационные свойства изделия.

Лекция 8. Конструкционные и специальные стали и сплавы

Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин или механизмов и строительных конструкций. Они могут быть углеродистыми или легированными.

Углеродистые стали кроме железа и углерода содержат ряд технологических и вредных примесей.

Технологические примеси (Si до 0,37%, Mn до 0,8%, небольшие добавки Al) вводятся в сталь в процессе плавки с целью раскисления и удаления вредных примесей.

Вредные, но неизбежные примеси (S и P) попадают в сталь из сырьевых материалов. Сера в сплавах железа образует легкоплавкую эвтектику по границам зерен (Т_э=988 С). При нагреве под ковку или штамповку (Т_ОМД1000С) сернистая эвтектика оплавляется и при последующем механическом воздействии ОМД в металле образуются надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость стали. Аналогично влияние фосфора.

В зависимости от содержания S и P углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества (0,050%S, 0,040%Р) и качественные стали (0,040%S, 0,035%Р).

Для неответственных или малонагруженных деталей и конструкций используют углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества), которые могут поставляться с регламентируемым составом или с регламентируемыми свойствами, Маркировка сталей общего назначения Ст.1, Ст 2 и т.д. Кроме того, стали этого класса при плавке могут подвергаться не полному раскислению. В зависимости от степени раскисления в обозначении марки стали введены буквы: кп – кипящие (малораскисленные), пс – полуспокойные и сп –спокойные (раскисленные полностью).

Качественные углеродистые стали маркируются цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента в доэвтектоидных сталях и в десятых долях процента в эвтектоидных и заэвтектоидных, последние в начале марочного обозначения имеют букву У.

Например, сталь 20 содержит 0,20 %С, а сталь У10 – 1,0%С.

Углеродистые стали обычно объемной закалке не подвергают из-за низкой прокаливаемости.

Для изготовления ответственных и тяжелонагруженных деталей машин и конструкций, которые необходимо подвергать упрочнению термической обработкой для достижения требуемой конструкционной прочности, применяют легированные стали.

Легированные стали, помимо обычных примесей содержат т. н. легирующие элементы (напр.,— Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.), введенные в состав сплавов для придания им определенных физических, химических или механических свойств, чаще всего с целью увеличения прокаливаемости и измельчения зерна.

Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.

Н- никель	Б – ниобий	Г – марганец
Х – хром	М – молибден	Ю - алюминий
Т - титан	Ц – цирконий	В - вольфрам
Р – бор	С – кремний	К – кобальт
Д - медь	П – фосфор	Ф - ванадий
Ч - РЗМ	А: в середине марки – азот; в начале – автоматная сталь; в конце – высокочественная (S и P 0,03%)

Маркировка легированных сталей обычно производится по химическому составу. На первом месте цифрами указано содержание углерода в сотых или десятых долях процента, аналогично маркировке качественных углеро-дистых сталей. Затем буквами зашифровы-ваются легирующие элементы, концентра-ция которых указана цифрами в % после соответствующей буквы

Специальные стали могут маркироваться с отклонениями от стандартного обозначения.

По назначению среди легированных сталей можно выделить следующие группы:

Цементуемые стали. Имеют низкое содержание углерода – 0,07%...0,25% и обычно комплексное легирование, цели которого:

-предотвратить рост зерна аустенита при длительных высокотемпературных (840-980С) нагревах на этапе диффузионного насыщения поверхности углеродом или углеродом и азотом (Mo, Ti, Nb, РЗМ);

- обеспечить сквозную прокаливаемость (Cr, Si, Mn, Ni, B) при последующей закалке.

Для изделий простой конфигурации, не испытывающих высоких напряжений используют нелегированные или малолегированные стали: 10, 20, 15Х; - для тяжелонагруженных деталей, испытывающих ударные нагрузки, работающих в условиях низких температур: 18ХГТ, 20ХГНР, 20ХН3А, 25ХГНМФР.

Улучшаемые стали. Среднеуглеродистые (0,3-0,4%С) и среднелегированные (3-5% л.э. в сумме) стали. Легирование направлено на обеспечение сквозной прокаливаемости, т.к. улучшение – это объемная закалка, которая должна обеспечить получение мартенситной структуры во всем сечении детали, и высокий отпуск 550-600 С. Кроме того легирующий комплекс часто содержит около 0,1% элементов, измельчающих зерна (V, Zr, Ti, Nb).

Свойства сталей в термоулучшенном состоянии близки, поэтому при выборе марки стали исходят из необходимой прокаливаемости.

Для деталей большого сечения выбирают комплексно легированные стали. Во избежание развития отпускной хрупкости для деталей большого сечения применяют стали, легированные молибденом, например 40 ХНМ, 30ХМ.

Для деталей, работающих в условиях Севера используют стали, содержащие никель, значительно повышающий ударную вязкость и хладноломкость стали, например сталь 40ХГНР.

Строительная и арматурная стали. Для строительных конструкций, мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и других конструкций, в которых обычно применяют сварные соединения, содержание углерода ограничивается 0,22…0,25%. Используются углеродистые стали обыкновенного качества, например Ст3, или низколегированные, например, 17ГС, 17ГСБ, 08Г2СФБ (Т₅₀= -70С).

Для армирования железобетонных конструкций используют пластины и прутки из стали марок Ст3, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т в термообработанном или необработанном состоянии.

Пружинные стали. При работе пружин и рессор наиболее важными являются упругие свойства стали, поэтому необходимо получить высокий предел текучести _т. Высокие значения _т обеспечивает закалка с последующим средним отпуском 300-400С.

Наибольшее распространение получили кремнистые и кремниймарганцовистые марки пружинных сталей с содержанием углерода 0,5-0,7%, например, 55С2, 60СГ, 60С2ХА.

Шарикоподшипниковая сталь. Элементы подшипников качения должны иметь высокую твердость, которая обеспечивается закалкой стали, с повышенным содержанием углерода (1,0-1,1%).

Заэвтектоидная сталь подвергается неполной закалке из межкритического интервала температур от температуры А_с1+30…50С и после закалки имеет структуру мартенсит с включениями избыточных карбидов. Низкий отпуск при 150-160С практически не изменяет структуру и твердость стали, твердость 62HRC.

Для достижения сквозной прокаливаемости и дополнительного повышения твердости за счет легирования карбидов шарикоподшипниковую сталь легируют хромом в количестве 1,0-1,5%.

Поскольку эта сталь весьма специального назначения – преимущественно для подшипников качения, в маркировке это отражено буквой Ш, содержание углерода не отражено, а концентрация основного легирующего элемента хрома указано в десятых долях процента после буквы Х.

Наиболее распространены марки шарикоподшипниковой стали ШХ15, ШХ15ГС.

Для подшипников, работающих в агрессивных средах используют сталь Х18, состава 1% С, 18%Cr, ост. Fe и примеси, после закалки от 1050С в масле, обработки холодом при -70С и низкого отпуска150-160С, при твердости 60-61 HRC.

Для подшипников, работающих при повышенных температурах (400-500С) используют сталь типа быстрорежущей, например Р9, но с пониженным содержанием вольфрама, чтобы избежать карбидной неоднородности.

Лекция 9.