2.2.Пример выполнения задания.

Задание: сталь 40.

Среднеуглеродистая сталь 40 качественная конструкционная доэвтектоидная с равновесной структурой ферритно-перлитной.

Химический состав стали 40

Химический элемент %

Кремний (Si) 0.17-0.37

Марганец (Mn) 0.50-0.80

Медь (Cu), не более 0.25

Мышьяк (As), не более 0.08

Никель (Ni), не более 0.25

Сера (S), не более 0.04

Углерод (C) 0.37-0.45

Фосфор (P), не более 0.035

Хром (Cr), не более 0.25

Применяется после нормализации, улучшения (закалка + высокий отпуск) и поверхностной закалки (в силу небольшой прокаливаемости).

Термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении (рис.21) по соответствующим режимам. При нагреве должно быть исключено химическое воздействие нагревательной среды, выражающееся в обезуглероживании, окалинообразовании. Поэтому нагрев необходимо производить в пространстве с контролируемой атмосферой в муфельных, шахтных или трубчатых печах.

Рисунок 21. Схема собственно термической обработки (СТО

При предварительной обработке таких сталей необходимо, помимо измельчения феррита, достичь более равномерного распределения углерода. Поэтому после нагрева выше А_С3 сталь выдерживают обычно 1,5-2 часа, при этом происходит диффузия углерода и выравнивается её состав. Эта выдержка характерна для операции отжига. Затем следует охлаждение на воздухе, т.е. нормализация. Таким образом, обработка этих сталей включает элементы отжига и нормализации и может быть названа комбинированной. Структура стали после нормализации – феррит + сорбит.

Технологические режимы улучшения.

Закалка для доэвтектоидной углеродистой стали проводится с нагревом до температуры А_С3+30-50°С. Температура зависит от состава стали. Определяем температуру А_С3 по рис. 15 (С=0,4%) или по справочным таблицам. Она составляет 800°С. Следовательно, t_нопт.=850°С. Время выдержки в печи определяем по размерам детали: для деталей круглого сечения на 1 мм – 1 мин. выдержки. Выдержка необходима для прогрева изделия, завершения структурных превращений и выравнивания состава за счёт диффузионных процессов. При нагреве в стали формируется структура мелкозернистого аустенита. Затем сталь охлаждается со скоростью, большей чем критическая скорость закалки. Для стали 40 Vкр=250 °С/с, скорость охлаждения в воде 20 °С > Vкр и составляет ~ 450 °С/с. Охлаждение осуществляется путем погружения детали в воду. Структура стали после закалки – мартенсит закалки мелкоигольчатый. Эта структура характеризуется высокими значением твердости HRC=60-62 и концентрацией внутренних напряжений.

Следующей после закалки является операция отпуска. Отпуск снимает внутренние закалочные напряжения и формирует окончательные свойства стали. Температура нагрева не превышает А_с1. Время выдержки определяется размерами и формой детали. Скорость охлаждения углеродистой стали после отпуска практически не влияет на конечные структуру и свойства.

Низкий отпуск (t_н=150-200°С) позволяет сохранить наибольшую твердость и износостойкость поверхности, при формировании структуры мартенсит отпуска. Для стали 40 как правило не используется, т.к. применяется чаще к деталям из инструментальных сталей и цементованных. Средний отпуск (t_н=350-400°С) формирует в стали структуру троостит отпуска и обеспечивает высокие упругие свойства и достаточную пластичность металла. Применяется этот вид отпуска для сталей с большим содержанием углерода (С=0,6-0,8%). Для стали 40 применяется, как правило, высокий отпуск. При этом формируются в стали свойства повышенной ударной вязкости сочетающейся с повышенной прочностью, что позволяет деталям работать в тяжёлых условиях динамического или переменного нагружения. Структура в стали 40 после высокого отпуска – сорбит отпуска зернистого строения.

Поверхностная закалка. Сущность поверхностного нагрева токами высокой частоты состоит в следующем. В детали, помещенной в переменное магнитное поле, создаваемое индуктором, возбуждаются вихревые токи. Эти токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности изделия. С увеличением частоты тока эффект оттеснения токов к поверхностным слоям, а следовательно, и плотность тока в них возрастают. В результате теплового действия вихревых токов за 3…5 с поверхностные слои нагреваются до температуры закалки, после чего детали охлаждаются в воде, масле или эмульсии. Детали, прошедшие поверхностную закалку, подвергаются низкому отпуску при температуре 180…200°С в масляных ваннах с электрическим подогревом. Время выдержки деталей при этих температурах определяют из расчета 1 ч на 1 см радиуса детали. Окончательная обработка деталей (шлифование и доводка) производится после термообработки, обеспечивающей требуемую твердость и структуру металла.

Применение. После улучшения — коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, маховики, зубчатые колеса, болты, оси и другие детали; после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ — детали средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (длинные валы, ходовые валики, зубчатые колеса).

Механические свойства стали 40 после ТО выписываются в таблицу 8.

Таблица 8.

Параметры ТО и механические свойства стали 40.

марка стали	Хим состав, % (ср. сод.)	Вид ТО*		Параметры ТО		Механические свойства					Струк- тура	Применение
				Топт, °С.	Среда охл.	в, МПа (кгс/мм2)	KCU, МДж/м2(кгсм/ см2)	НВ	0,2, МПа (кгс/ мм2)	δ, %
40	С - 0,4 Mn-0,8 Si –0,37 S – 0,035 P – 0,035	Отжиг		850	печь	510		187		14	ф+п
		Нормализа- ция		850	воздух	580	0,6	217	340	19	ф+с	Прокат листы
		Закалка		850	вода						М м/иг
		Отпуск	низкий	200	вода	930	0,29	267	750	7	М отп.
			средний	400	вода	790	0,88	225	640	10	Т отп.
			высокий	600	вода	660	1,67	188	450	16	С отп.

* Виды ТО, применяемые к заданной марке стали, включая химико-термическую (цементация, азотирование и др.), термо-механическую, объёмную, поверхностную, изотермическую, ступенчатую и т.д.