книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

3.Все легирующие элементы, за исключением Ni, Si, Си, А1 и Со, образуют с углеродом карбиды, некоторые из них, например WC, имеют твердость НВ около 1200. При нагреве стали до 600°С указанная твердость сохра­ няется. Сталь обладает красностойкостью.

4.Легирующие элементы, как правило, измельчают зерно, немного повышая прочность стали.

5.Если углеродистые стали напреть выше Асг (ау­ стенит) и охладить на воздухе (нормализация), то полу­ чаются феррито-перлитная, перлитная или перлито-це-

ментитная .структуры. Легированные стали после норма-

L

Рис. 36. Диаграмма изотермического превращения аустенита для ста­ лей:

а — перлитного wiacca; б — мартенситного класса; о — аустенитного класса

лизании в зависимости от положения С-образных кривых изотермических превращений могут иметь структуру пер­ лита, мартенсита или аустенита (Л4Н ниже 0°) (рис. 36). Структура, получаемая после нормализации, определя­ ет класс стали. К трем .классам, рассмотренным ранее, добавляются стали ферритного класса (низкоуглероди­ стые с высоким содержанием Сг и Si) и карбидного клас­ са, легированные Cr, W, V, Мо и др.

Легирующие элементы наряду с повышением механи­ ческих свойств сообщают стали особые свойства, напри­ мер коррозионную стойкость, жаропрочность и т. д.

§ 23. Технологические и эксплуатационные свойства стали в зависимости от ее структуры

Структура стали влияет на обрабатываемость давлением и резанием. Для глубокой вытяжки в холодном состоя­ нии структура должна иметь высокую пластичность и

71

Троосгит, как структура высокой прочности и доста­ точной пластичности, является структурой ударного, штампового инструмента, а также рессор и пружин. Для нержавеющих сталей предпочтительна однофазная стру­ ктура: феррит, мартенсит, аустенит.

Трансформаторные стали должны обладать высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной си­ лой. Крупнозернистый феррит удовлетворяет этим требо­ ваниям. Для постоянных же магнитов необходимо иметь структуру мартенсита.

. § 24. Термическая обработка стали

Термическая обработка представляет собой совокуп­ ность операций нагрева, выдержки и охлаждения, про­ водимых в определенной последовательности с целью

•изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

По классификации А. А. Бочвара различают четыре основных вида термической обработки: 1 ) отжиг I .ро­

ноосной структуры. Отжиг, нормализация и закалка — это процессы термической обработки, при которой про­ исходят превращения аустенита при различных скорос­ тях его охлаждения.

Скорость нагрева должна быть такой, чтобы разность температур поверхностных и сердцевинных слоев была минимальной во избежание напряжений и трещин. По­ этому на скорость нагрева оказывают влияние форма, сечение детали и ее химический состав. Легирующие элементы понижают теплопроводность стали. Поэтому чем крупнее деталь и более легирована сталь, тем мед­ леннее она должна нагреваться.

По достижении требуемой температуры нагрева не­ обходима выдержка при этой температуре для прогрева изделия по всему сечению и для диффузионного вырав­ нивания концентрации углерода и других элементов в аустените, что благоприятствует получению при охлаж­ дении наиболее однородного продукта распада аусте­ нита.

Нагрев стали проводят в печах или ваннах с расплав­ ленными солями. Нагревательная среда оказывает боль­

73

шое влияние на состояние поверхностного слоя нагрева­ емого металла. При нагреве в печи поверхностный слой стали окисляется и обезуглероживается, что влечет за собой образование окалины и даже брак изделий. Для предотвращения окисления и обезуглероживания нагрев во многих случаях проводят в искусстветшо создаваемой защитной атмосфере, предохраняющей металл от окис­ ления и обезуглероживания. В ваннах металл не окис­ ляется и мало обезуглероживав вся.

Продолжительность нагрева деталей из углеродистой стали в пламенной печи в среднем составляет 1 мин на 1 мм сечения, т. е. для детали, имеющей диаметр 25 мм, необходим нагрев в течение 25 мин (см. лабораторную работу № 3). Для легированных сталей время нагрева увеличивается на 25—40%.

Нагрев стали на 100—200°С выше линии GSE (/1с3) влечет за собой интенсивный рост зерен аустенита. Та­ кое явление называется перегревом. Перегретая сталь имеет пониженную вязкость после отжига и нормализа­

Нормализация стали производится путем ее нагрева на 30—50°С выше линии GSE, затем следуют выдержка и последующее охлаждение на воздухе.

74

Бее заготовки перед холодной обработкой давлени­ ем подвергают отжигу, за исключением редких случаев.

Для обработки заготовок резанием их подвергают от­ жигу или 'нормализации в зависимости от содержания углерода.

Стали дозвтектоидные с содержанием углерода мень­ ше =^0,3% подвергают нормализации, стали с содержа­ нием углерода 0,3—0,7% — отжигу, а эвтектоидные изаэвтактоидные стали — отжигу на зернистый перлит.

Отжиг на зернистый перлит заэвтектоидных и в не­ которых случаях эвтектоидных сталей проводят перед их обработкой резанием или давлением (завивка пружин) для снижения твердости перлита НВ до 160—190 или перед закалкой и заключается в нагреве стали до 730— 770°С, выдержке и охлаждении до 600°С с печью, после чего охлаждение проводят на воздухе. На металлурги­ ческих заводах для получения структуры зернистого пер­ лита заэвтектоидную сталь подвергают после их нагре­ ва и выдержки изотермическому или ступенчатому от­ жигу.

Изотермический отжиг заключается в том, что заго­ товки с аустенитной структурой помещают в печь с тем­ пературой около 700°С, при которой и происходит изо­ термическое превращение аустенита в перлит. После окончания превращения изделия охлаждают на воздухе.

Д ля устранения наклепа листы и заготовки холодно­ го проката подвергают рекристаллизационному отжигу.

Для малоуглеродистой стали отжиг проводят при 650°С. Отжиг легированных сталей требует более высокой температуры нагрева, продолжительной выдержки, а также более медленного охлаждения, чем отжиг угле­

родистых сталей.

Закалка и отпуск. Закалку и отпуск применяют для придания стали необходимых эксплуатационных свойстз соответствующим изменением структуры.

Закалка стали заключается в ее нагреве до темпера­ туры на 30—50°С выше линии GSK, выдержке ипоследу­ ющем быстром охлаждении для получения мартенсит­ ной структуры. После закалки доэвтектоидная и эвтектоидная стали получают структуру мартенсита и оста­ точного аустенита, а заэвтектоидная сталь—структуру мартенсита с цементитом (в виде глюбулей).

На практике для охлаждения углеродистой стали при закалке применяют воду с температурой около 20°С, а

75

легированной — масло (веретенное, трансформаторное) с температурой 40—60°С. Вода является более резкой охлаждающей средой, а масло ■— более мягкой. Реже применяют и другие охладители — щелочные и кислые водные растворы и т. д. (ом. лаб. работу № 3).

Выбор охладителя зависит от характеристики С-об- разных кривых закаливаемой стали (см. рис. 36). Чем больше кривые сдвинуты вправо, тем более мягкий охла­ дитель применяют при закалке. Закалка, особенно рез­ кая, вызывает большие напряжения, коробление, дефор­ мацию и даже трещины в деталях, так как превраще­ ние аустенита в мартенсит происходит со значительным увеличением объема. Поэтому после закалки изделия немедленно должны подвергать отпуску.

Отпуск стали состоит в нагреве закаленной стали до температуры ниже /lci(PSK) (рис. 38), выдержке и по­ следующем охлаждении (скорость которого для боль­ шинства сталей безразлична) для понижения твердости, прочности и повышения пластичности и вязкости для тре­ буемых пределов уменьшения или устранения напряже­ ний и получения более стабильной структуры. Практи­ чески температура отпуска колеблется в пределах 140— 620°С.

Отпуск стали может быть низким, средним и высоким. Низкий отпуск (при температуре 140—200°С) применя­ ется преимущественно для уменьшения напряжений в стали. В результате низкого отпуска сталь приобретает структуру отпущенного мартенсита.

Средний отпуск проводят при температуре 300—400°С. При этом в стали образуется троостито-мартенситпая или трооститная структура.

Высокий отпуск проводят при температуре около 500—620°С, при которой получается структура сорбита.

Сталь подвергают отпуску в печах и ваннах с нагре­ тым маслом или расплавленными солями. На рис. 39 по­ казано влияние отпуска на механические свойства зака­ ленной стали марки 40 ( — 0,4% С).

Старение стали — отпуск при нагреве до ~100°С или выдержка при комнатной температуре. Производит­ ся старение для стабилизации (предотвращения измене­ ний) структуры, размеров и свойств деталей, измери­ тельного инструмента — скоб, калибров и др.

Способы закалки. Стальные изделия закаливают раз­ личными способами в зависимости от назначения изде-

76

ЛИЙ, их размера, конфигураций, состава стали, закалоч­ ного оборудования и способов охлаждения.

При обычной закалке полное охлаждение проводят в воде (углеродистые стали) или масле (легированные ста­

ли).

Закалка в двух средах (прерывистая) заключается в охлаждении изделия вначале в воде до температуры око­ ло 400°С, а затем в масле. Переохлажденный до 400°С аустенит при более медленном охлаждении в масле нач­ нет превращаться в мартенсит при температуре, близ-

кой к 200°С. При этом мартенсит менее склонен к ко­ роблению и образованию трещин.

Ступенчатая закалка заключается в охлаждении стального изделия в жидкой среде с температурой око­ ло 240°С и выдержке 5—10 мин. В результате превра­ щений аустенита в мартенсит (при последующем охлаж­ дении с 240°С) последний имеет минимальные напряже­ ния. Этот метод закалки применяют только для тонких изделий (например, дисковых пил). В изделиях больше­ го сечения охлаждение будет неравномерным. Внутрен­ ние слои охладятся медленнее и будут претерпевать пре­ вращение в структуру перлитной группы.

Местную закалку применяют в том случае, когда по­ вышенную твердость должна иметь только часть изде­ лия. В кувалде или зубиле должна быть закалена толь­ ко рабочая часть. На практике местная закалка часто

77

применяется для закалки с самоотнуском. С этой целью нагревают до температуры закалки рабочую часть зуби­ ла на расстоянии примерно 40 мм от режущей кромки и (погружают кратковременно в воду только режущую кромку. После закалки зачищают режущую кромку, ко­ торая отпускается за счет внутреннего тепла неохлаж­ денной части до требуемой температуры отпуска, опре­ деляемой на глаз по цвету побежалости (см. лаб. рабо­ ту № 3). Затем зубило опускают в масло для дальней­ шего охлаждения.

Улучшение. Закалка с отпуском на сорбит называет­ ся улучшением. Легированные стали закаливают с бо­ лее высоких температур, так как критические точки этих сталей Ас\ и Асг несколько выше, чем углероди­ стых. Охлаждение осуществляют преимущественно в масле. Для получения одних и тех же структур темпе­ ратура отпуска легированных сталей несколько выше, чем для углеродистых сталей.

При закалке и отпуске на мартенсит (при температу­ ре ниже 250°С) в структуре стали, содержащей >0,6% С, образуется незначительная часть остаточного аустенита. В особо ответственных деталях и инструмен­ тах, требующих повышенной твердости, остаточный аустенит переводят в мартенсит путем выдержки изделия при температурах ниже комнатной (см. рис. 34, Ми), обычно около —70°С. Подобная обработка называется

обработкой'холодом.

При волочении проволоки из углеродистой стали (0,5—0,8% С) используется особый вид термической обработки — патентирование, при котором волоченую проволоку нагревают до температуры 800—900°С, затем охлаждают в жидкой среде расплавленных солей с тем­ пературой 500—650°С и подвергают окончательному во­ лочению.

Поверхностная закалка токами высокой частоты за­ ключается в нагреве поверхностных слоев стальных изделий до температуры 850—950°С в специальных ин­ дукторах (рис. 40) и дальнейшем охлаждении их водой, проходящей через отверстия в индукторе. Процесс, как

•правило, автоматизирован и продолжается 20—40 с, пос­ ле чего дается низкий отпуск при температуре 140—200°С. Глубина закаленного слоя составляет от долей милли­ метра до нескольких десятков миллиметров и зависит от частоты тока и выдержки изделия в индукторе.

78

Поверхностной закалке подвергают преимущественно стали с содержанием углерода 0;4—0 ,6 %’. После такой закалки в поверхностном слое образуется мартенситная структура, а в нижележащих слоях — структура продук­ тов распада аустенита (троостита, сорбита). Поверхно­ стный нагрев можно проводить и кислородно-ацетилено­ вым пламенем. Этот способ применяют для местной за­ калки крупных деталей, например зубьев крупных ше­ стерен.

§ 25. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка — процесс поверхност­ ного насыщения стали каким-либо элементом путем его диффузии из внешней среды при высокой температуре.

Насыщение углеродом называется цементацией, азо­ том— азотированием и т. д.

Цементация заключается в нагреве стали в среде (карбюризаторе), выделяющей атомарный углерод при высокой температуре. Используют твердый и газовый карбюризаторы. В соответствии с этим цементация на­ зывается твердой или газовой. Процесс цементации про­ водят при 900—950°€. При этом углерод, выделяющийся из карбюризатора, растворяется в аустените цементуе­ мой детали. Цементуются стали с содержанием углеро­ да 0,1—0,3%. После цементации поверхностный слой должен содержать 0,8—1,0% С. В деталях машин глу­ бина цементованного слоя колеблется преимущественно в пределах 1,0—3,0 мм.

Твердым карбюризатором служат смеси древесного угля и углекислых солей, ускоряющих процесс цемен­ тации.

у Карбюризатор засыпают в стальной или чугунный ящик слоем 20—30 мм. На этот слой помещают детали на определенном расстоянии друг от друга, после чего засыпают следующий слой карбюризатора. Ящик накры­ вают крышкой, замазывают глиной и ставят в предвари­ тельно нагретую печь.

При температуре цементации, в ящике происходит реакция

2 СО - С02 + С.

Выделяющийся при этом атомарный углерод диффун­ дирует в аустенит н насыщает поверхностные слои детали.

79

Продолжительность цементации зависит от темпера­ туры, размеров деталей и химического состава стали. Глубина цементованного слоя, равная 1 мм, получается за 8 ч, глубина в 2 мм — за 18 ч.

После цементации детали подвергают одинарной за­ калке с температуры около 780 или 860°С в воде или масле или двойной закалке с температуры 900°С и с тем­ пературы 780°С. После закалки детали подвергают низ­ кому отпуску и на поверхности получают структуру мар­ тенсита с твердостью H R C ^ 58, а в сердцевине — вязкую структуру феррита с сорбитом.

Газовым карбюризатором служат газы: природный и получаемый в результате пиролиза нефтепродуктов (ке­ росина, пиробензола и т. д.). Цементацию проводят в муфельных печах— горизонтальных и шахтных1.

Газовая цементация протекает быстрее, чем цемента­ ция в твердом карбюризаторе. После газовой цемента­ ции детали подстуживают до температуры 800°С и за­

ных слоев стали азотом путем нагрева в атмосфере ам­ миака (NH3) при температуре 480—620°С.

Аммиак разлагается по реакции NH3-*-3H+N. Ато­ марный азот диффундирует в Fea , образуя твердый раствор и химические соединения с железом, алюминием, хромом и т. д., называемые нитридами (химические сое­ динения металлов с азотом): Fe4N, A1N.

до 0,8 мм, достигается в течение от 20 до 90 ч. Для азо­ тирования применяют стали, легированные хромом, алю­ минием, молибденом, с содержанием 0 ,2 —0,4%С.

Перед азотированием сталь подвергают улучшению (закалке и высокому отпуску).

Азотированная сталь обладает значительно большей износостойкостью, чем цементованная. Но этот процесс вследствие его продолжительности и дороговизны имеет ограниченное применение. Им пользуются преимущест­ венно для особо ответственных деталей машин.

1 Т. е. в печах, в которых поверхность нагреваемых деталей не подвергается воздействию продуктов горения, так как детали за­ гружаются в замкнутые камеры — муфели, .нагреваемые продукта­ ми горения топлива.

80