Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Desktop_1 / korotich.doc
Скачиваний:
830
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
6.11 Mб
Скачать

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое цементация и нитроцементация?

2. Какие требования предъявляются к сталям для цементации и нитроцементации?

3. Какова роль легирующих элементов в этих сталях?

4. Какое влияние оказывают легирующие элементы на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне?

5. Какие марки сталей применяются для цементации и нитроцементации?

6. Какова термическая обработка сталей после цементации и нитроцементации?

7. В чем преимущества нитроцементации перед цементацией?

8. Каковы современные направления в создании цементуемых сталей?

Литература

  1. Гольдштейн М.И.Специальные стали /М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.

  2. Ляхович Л.С.Специальные стали: Учеб. пособие для вузов /Л.С. Ляхович.– Минск: Высш. шк., 1985. – 208 с.

  3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин и др.– Москва: Металлургия, 1981. – 424 с.

  4. Влияние термообработки на фазовый состав, структуру и свойства цементуемых низкоуглеродистых марганцевых сталей / Л.С. Малинов// Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. – № 3. – С.40–48.

Улучшаемые стали

В машиностроении для получения заданных свойств детали и изделия часто подвергают закалке (обычно от температур 820-880 ºС в зависимости от химического состава стали) и последующему высокому отпуску при температуре 550-680 ºС. После такой термообработки получается структура сорбит отпуска, которая обеспечивает высокую конструктивную прочность деталей и изделий – достаточно высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. Стали, подвергаемые закалке с высоким отпуском – улучшению – называются улучшаемыми сталями.Обычно такие стали содержат 0,3–0,5 % углерода. В отожженном состоянии они имеют структуру легированный феррит и эвтектоид.

Требования, предъявляемые к улучшаемым сталям, следующие: повышенная прочность (σ0,2= 800-950 МПа, σв= 950-1200 МПа); высокая пластичность (= 12-20 %; ψ = 40-55 %); высокая вязкость (KCU= 0,7-1,0 МДж/м2); малая чувствительность к концентраторам напряжений; в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, – высокий предел выносливости; повышенная прокаливаемость; экономичность легирования.

Легирующие элементы, прежде всего, должны обеспечить высокую прокаливаемость и требуемые механические свойства после отпуска. Свойства во многом определяются влиянием легирующих элементов на упрочнение феррита, размер аустенитного зерна, устойчивость переохлажденного аустенита, устойчивость против отпуска и др. Один и тот же элемент может влиять на несколько факторов, через них определяя механические свойства стали. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, кремний, молибден, ванадий, бор и др. Все легирующие элементы, кроме кобальта, если они растворены в аустените, повышают прокаливаемость. Наибольшая прокаливаемость достигается при совместном легировании хромом, никелем и молибденом. Сильно повышает прокаливаемость бор. Его вводят в сталь в количестве от 0,001 до 0,005 %. Механизм влияния малых добавок бора на прокаливаемость, по-видимому, состоит в том, что бор, как поверхностно-активный элемент, концентрируясь на границах зерен аустенита, препятствует зарождению здесь феррита при превращении.

Сильные карбидообразующие элементы (V,Nb,Ti) могут оказывать двоякое влияние на прокаливаемость. Они увеличивают прокаливаемость, если растворены в аустените и уменьшают ее, если связаны в карбиды или карбонитриды. Обычно в конструкционные улучшаемые стали эти элементы вводят в небольших количествах (0,1 %) с целью обеспечения мелкозернистой структуры, поэтому их влияние на прокаливаемость относительно невелико.

Все легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его прочностные свойства (твердорастворное упрочнение). Особенно упрочняют феррит кремний, марганец, молибден, никель. Никель не только увеличивает прокаливаемость и повышает прочность феррита, но и повышает ударную вязкость, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению, т.к. он уменьшает блокировку дислокаций атомами углерода и азота, т.е. увеличивает их подвижность, способность к скольжению. Карбидообразующие элементы: хром, молибден, вольфрам затрудняют разупрочнение стали при отпуске, задерживая распад мартенсита, коагуляцию карбидов, полигонизацию и рекристаллизацию ферритной матрицы. В результате после высокого отпуска наблюдается полигональная структура феррита с малыми размерами субзерен и дисперсные специальные карбиды. Такая структура обеспечивает достаточно высокую прочность при высокой пластичности и вязкости. Кроме того, молибден и вольфрам снижают склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Для улучшения обрабатываемости резанием в стали добавляют селен и кальций (например, сталь 40Х2АФЕ с добавкой селена).

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки. При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению однородная – мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом могут быть продукты распада аустенита по бейнитной и перлитной ступени (верхний и нижний бейнит, феррито-перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства (практически по всем показателям) достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться. Особенно сильно это может сказываться на параметрах, характеризующих сопротивление стали хрупкому разрушению (например, температуре перехода из вязкого в хрупкое состояние) и вязкому разрушению (работе развития трещины).

На рисунке 3.4 приведены значения температуры порога хладноломкости после разных исходных структур для хромомолибденовой стали.

Рисунок 3.4 – Влияние содержания углерода на порог хладно­ломкости улучшенной хромоникелевой стали при раз­ной исходной структуре (B.C. Меськин):

1 – перлит; 2 - бейнит; 3 - мар­тенсит

Подбором температуры отпуска временное сопротивление стали при всех исходных структурах было достигнуто одинаковым (σв700 МПа). При этом наиболее низкий порог хладноломкости имела сталь, закаленная на мартенсит, сталь со структурой верхнего бейнита после отпуска имела порог хладноломкости на 50 ºС выше, а со структурой перлита – еще на 100 ºС выше. При всех исходных структурах повышение содержания углерода приводит также к повышению порога хладноломкости. В ряде работ установлено, что исходная структура нижнего бейнита (до 50 %) в смеси с мартенситом даже повышает сопротивление хрупкому разрушению – порог хладноломкости снижается по сравнению с чисто мартенситной структурой. Вероятно, это обусловлено однородным распределением карбидов и мелкоигольчатой структурой нижнего бейнита, в результате чего создаются препятствия при распространении трещины скола. Поэтому нижний бейнит в таких количествах не ухудшает сопротивление стали вязкому разрушению.

Существенное снижение характеристик сопротивления разрушению вызывает исходная структура верхнего бейнита и продуктов распада аустенита в перлитной области. Резко повышается порог хладноломкости и уменьшается работа распространения трещины. Это связано с тем, что верхний бейнит и перлит после отпуска имеют в структуре грубые неоднородно распределенные карбидные включения, в результате чего скол может непрерывно распространяться на значительные расстояния, составляющие несколько зерен. Наличие в стали небольшого количества стабилизированного остаточного аустенита, не распадающегося при отпуске на феррит и карбид, расположенного между пластинами мартенсита в виде тонких прослоек, как показано в ряде исследований, значительно повышает вязкость разрушения (К) высокопрочных сталей.

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543-71, ряд сталей изготовляется по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, молибден, бор, ванадий и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,25-0,5 %.

Легированным конструкционным сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии свойств достигается металлургическими способами (уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др.). Эти стали чувствительны к флокенам, наиболее чувствительны к образованию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлитно-мартенситные стали.

Хромистые стали: 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в несколько больших сечениях (до 20–25 мм в масле), чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска на воздухе. Легирование хромом не увеличивает склонности к росту зерна аустенита. Однако с целью получения мелкозернистой структуры в стали вводят ванадий (40ХФ), который, находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение. Поэтому для получения одинаковой прочности сталь 40ХФ при улучшении необходимо отпустить на 30-50°С выше, чем сталь 40Х. Это имеет большое значение для более полного снятия остаточных напряжений в изделиях и повышения их предела усталости.

Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали мелкозернистые (зерно № 10-12), глубокопрокаливающиеся, имеют высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска (200 ºС), так и после улучшения (отпуск 600-650 ºС). Такие свойства обусловлены легированием стали азотом и нитридообразующими элементами – ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном (40Х2АФЕ).

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют несколько большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Эти стали можно применять при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ, 30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью (до 40 мм). С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03–0,09 %). Легирование ванадием (сталь 35ХГФ) также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Сталь 35ХГФ обеспечивает замену хромоникелевой стали 40ХН и применяется, как и другие стали этой группы, для машиностроительных деталей ответственного назначения (валы, шатуны, шестеренки и т.д.).

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Широкое распространение (особенно в авиастроении) получили стали типа 30ХГСА (хромансиль), обладающие хорошей свариваемостью. Хромансили применяют после закалки и низкого отпуска или после улучшения (отпуск 520–540 ºС). Недостатком этих сталей является относительно небольшая прокаливаемость (до 25-40 мм), сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию (последнему способствует кремний).

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Особенностью хромомолибденовых сталей является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Сталь 30Х3МФ имеет прокаливаемость и свойства, подобные таковым хромоникелевой стали 30ХН2МА. Благодаря ванадию сталь 30Х3МФ является мелкозернистой.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали (20ХН3А, 20Х2Н4А, 40ХН, 30ХН3А и др., 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением порядка 100–1000 мм). Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена. Поэтому такие стали обеспечивают после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий. В сечениях 80-100 мм некоторые стали имеют такие структуры и при охлаждении на воздухе. Высокая вязкость сталей обусловлена прежде всего влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушению. Никель значительно понижает порог хладноломкости закаленной и высокоотпущенной стали.

Стали с 3–4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости. К ним относятся стали 20ХНЗА, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХНЗМА. Однако хромоникелевые стали имеют существенный недостаток: они сильно склонны к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка. Молибден и вольфрам взаимозаменяемы в таких сталях, последние могут изготовляться с полной или частичной заменой молибдена на вольфрам из расчета: одна часть молибдена заменяется тремя частями вольфрама. Так, хромоникельвольфрамовые стали должны содержать: 38ХНЗВА 0,5–0,8 % W; 12X2H4BA 0,8–1,2 % W. Стали с молибденом и вольфрамом равноценны по свойствам, в том числе и по склонности к отпускной хрупкости.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХНЗМФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали являются наилучшими из всех известных конструкционных машиностроительных сталей. В последнее время разработаны конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса, имеющие хорошее сочетание характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости. К таким сталям относится сталь 15Х3Г3МФ, имеющая после закалки (920 °С, масло) и отпуска (200 °С) такие свойства: σв = = 1300–1400 МПа, σ0,2 = 980–1070 МПа, ψ = 57–60 %,  =12–14%, KCU = 0,87– –1,1 Дж/м2.

Для упрочнения поверхности и повышения усталостной прочности изделий после улучшения применяют следующие виды обработок: закалку с нагревом токами высокой частоты, поверхностную пластическую деформацию (обкатка роликами, обработка дробью), лазерное упрочнение, азотирование и др.

Азотирование представляет собой процесс поверхностного насыщения стали азотом. Наиболее распространен процесс азотирования в газовых средах на основе аммиака. Как правило, процесс азотирования осуществляется при температуре до 600 °С (низкотемпературное азотирование). Азотирование конструкционных сталей производят для повышения их твердости, износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

Перед азотированием изделия подвергают закалке и высокому отпуску. Строение диффузионного слоя азотированных сталей определяется диаграммой Fe-N (рисунок 3.5).

При азотировании стали в области температур ниже эвтектоидной (590 °С) диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ′(Fe4N) и . В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются главным образом нитридами легирующих элементов (TiN, MoN, AlN). Однако из-за наличия углерода в легированных конструкционных сталях при азотировании фактически образуются карбонитридные фазы.

Рисунок 3.5 – Диаграмма состояния системы Fe-N

Легирующие элементы существенно влияют на глубину азотированного слоя h и поверхностную твердость (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Влияние легирующих элементов на глубину азотируемого слоя (азотирование при 550 °С, 24 ч)

(а) и поверхностную твердость (б) (Ю.М. Лахтин)

Уменьшение глубины азотированного слоя при легировании обусловлено уменьшением коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффициент диффузии азота. Из азотируемых конструкционных легированных сталей наиболее широко применяют сталь 38Х2МЮА. Однако в последнее время разработан ряд новых конструкционных сталей, подвергаемых азотированию: 30Х3ВА, 30ХН2ВФЛ, 40ХНВА, 20Х3МВФА и др.

Наиболее высокая поверхностная твердость при азотировании достигается в Сr-Мо сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА. Подобные стали для азотирования применяются в США: нитраллой – Nitr135M, в Англии – EN-41, в Германии – 32АlСrМо4, в Швеции – 2940.

Для деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, применяют стали 28Х2Н4ВА, 38ХН3МА, 30Х3ВА, 20ХГН2МФ и др.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей. Так, предел усталости коленчатых валов авиационного двигателя из стали 18Х2Н4ВА после азотирования повышается на 25-60 %. При наличии концентраторов напряжений азотирование в большей степени влияет на предел усталости сталей. Такое влияние азотирования на предел усталости сталей связывают с образованием в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений.

Азотирование повышает теплостойкость сталей, например, рабочие температуры азотируемых деталей из сталей 38Х2МЮА и 25Х2МФА составляют 400-490 °С, а из стали 25Х2М1Ф 490-510 °С. Однако при длительных выдержках в условиях высоких температур твердость азотированного слоя может снижаться.

Когда азотирование применяется только для получения коррозионностойкого покрытия изделий, можно использовать простые углеродистые стали с содержанием углерода в широких пределах (от 0,1 до 1,0 %). При этом получают тонкие нитридные или карбонитридные слои толщиной 0,015-0,030 мм в зависимости от назначения детали.

Соседние файлы в папке Desktop_1