Старіння сталі

Розпад пересиченого а-розчину низьковуглецевої сталі, що протікає в часі і обумовлює зміну властивостей, називається старінням.

У низьковуглецевих сталях при швидкому охолодженні процес виділен­ня третинного цементиту (відповідно до лінії Р(3) затримується. Це призво­дить до одержання при нормальній температурі пересиченого вуглецем фе­риту. Отже, твердий розчин є метастабільним і буде прагнути до зменшення своєї внутрішньої енергії шляхом розпаду.

Відомо 3 види старіння: старіння загартованої, низьковуглецевої і дефо­рмованої сталі.

Процеси, що відбуваються в сталі при кімнатній температурі, називають природним старінням, при підвищених температурах — штучним.

Штучне старіння загартованих сталей відбувається при температурах 50-150°С, деформованих — при температурах 200-350°С протягом декількох хвилин.

При старінні термічно-оброблених сталей, як вважається, відбуваються процеси виділення третинного цементиту у вигляді дисперсних частинок або нітридів Ре₄Н або Ре₆И₂. Ці частинки, створюють атмосфери Коттрелла, ускладнюють рух дислокацій, що призводить до підвищення твердості сталі. Одночасно знижується ударна в'язкість і підвищується поріг холодноламкос­ті сталі.

Старіння деформованої сталі розвивається протягом 15-16 діб, при 20°С, та протягом декількох хвилин при 200-350°С. Воно пов'язано не з виділен­ням надлишкової фази з пересиченого твердого розчину, а тільки з перероз­поділом атомів у решітках розчину. В результаті спотворень, при холодній деформації в решітках фериту, виникають області стиску й розтягнення. Атоми вуглецю, що перебувають у розчині, при нагріванні або навіть при кі­мнатній температурі переміщаються в області стиску, а атоми заліза — у роз­тягнуті місця. Скупчення вуглецю, утворюючи атмосфери Коттрелла навколо дислокацій, впливають на механічні властивості так само, як дисперсні виді­лення цементиту при термічно-обробленій сталі.

Старіння негативно позначається на експлуатаційних і технологічних властивостях багатьох сталей, викликає руйнування конструкції після зварю­вання, згинання, а також погіршує штамповку сталей. Для зменшення схиль­ності сталі до старіння її легують алюмінієм, титаном, або ванадієм.

18. Способи зміцнення робочих поверхонь деталей машин.

Поверхневому зміцненню піддаються, головним чином, сталеві деталі: колінчасті вали, зубчасті колеса, поршневі пальці, торсіонні вали, пальці тра­ків, гільзи циліндрів та інші.

Поверхневе пластичне деформування являє собою обробку тиском, при якій деформується тільки поверхневий шар. Зміцнююча обробка пласти­чним деформуванням супроводжується наклепом, тобто зміцненням металу під дією пластичної деформації.

Процес зміцнення здійснюється шляхом переміщення дислокацій, що при своєму русі утворюють десятки й сотні нових дислокацій. Збільшення їхньої щільності призводить до збільшення межі міцності і твердості. При цьому змінюється кристалічна структура металу, що характеризується пере­кручуванням кристалічних решіток і визначеною орієнтацією зерен — текс­турою. Зерна з рівновісних перетворюються в нерівновісні. Всередині крис­талів відбувається дроблення блоків мозаїчної структури і збільшується сту­пінь їхньої розорієнтації. На поверхні металу виникають напруження стиску. Зміцнення поверхневим пластичним деформуванням застосовується, голо­вним чином, для підвищення границі витривалості деталей, що працюють при динамічних і знакозмінних навантаженнях (колінчасті вали, пальці тра­ків, торсіонні вали, пружини, ресори й ін.).

Процес поверхневого пластичного деформування може здійснюватися обробкою дробом, накочуванням роликами.

Обробка дробом — це процес зміцнення деталей потоком чавунного чи сталевого дробу діаметром 0,3-2,0 мм, що рухається із значною швидкістю та вдаряючись в поверхню, створює наклеп глибиною до 5 мм. Такому зміцнен­ню піддаються ресори, пружини, зубчасті колеса, різні вали, втулки.

В результаті обробки дробом знищуються напруги розтягання, що вини­кають на поверхні після шліфування, зменшуються напруги в зонах концент­раторів напруг (канавок, отворів, різких переходів і т.п.), підвищується опір втомі. Наприклад, термін служби ресор, оброблених дробом, збільшується в 2,5-3 рази, а шестерні зі сталі 20Х2Н4А — у 5 разів.

Зміцнююче накочування представляє собою процес поверхневого накочування інструментом по поверхні деформованого матеріалу. В якості інструменту найчастіше використовується спеціальна оправка з роликом, ви­конаним із загартованої швидкорізальної сталі (рис. 4.6). Утворення наклепу відбувається при стисканні інструменту з зусиллям від 5000 до 30000 Н. Цей метод зміцнення широко використовується для обробки торсіонних валів, ободів сталевих опорних ковзанок, пальців траків та ін.

Зміцнююче накочування, в порівнянні з обробкою дробом, значно ефек­тивніше підвищує опір втомі. В залежності від тиску ролика глибина шару, що зміцнюється, може досягати 25 мм, а границя витривалості збільшується в 2 рази. При цьому збільшується твердість, міцність і зносостійкість поверх­невого шару, а в цілому збільшується ресурс роботи деталі.

Поверхневе гартування сталі — застосовується з метою отримання підвищеної твердості в поверхневому шарі із збереженням в'язкої серцевини, що забезпечує деталі зносостійкість і високу динамічну міцність. Це досяга­ється за рахунок того, що поверхневий шар набуває структури мартенситу, а в серцевині залишається перлітно-феритна або сорбітна структура.

Процес поверхневого гартування полягає в порівняно швидкому нагрі­ванні поверхневих шарів вище критичної точки Ас₃ (рис. 4.7) з подальшим охолодженням із швидкістю вище критичної. Шар металу, нагрітий вище Ас₃, одержить повне гартування, а нижче Асі — гартування не відбудеться і збе­режеться перлітно-феритна або сорбітна структура.

В результаті поверхневого гартування в металі виникають напруження стиснення, які сприяють підвищенню втомної міцності деталей.

Хороші результати дає зміцнення поверхневим гартуванням деталей, ви­готовлених з вуглецевих і легованих сталей із вмістом вуглецю 0,35-0,55%. З них виготовляються зубчасті колеса, металеві опорні катки, вали, втулки.

Залежно від способу нагріву розрізняють наступні види поверхневого гартування: полумяневе, електроконтактне, електролітичне та індукційне.

Полумяневе поверхневе гартування здійснюється шляхом нагріву поверхні деталі полум'ям газового пальника з подальшим охолодженням водою. При цьому способі гартування має місце перегрів, нестабільність результатів, низька продуктивність. Це гартування застосовується в одиночному виробництві.

Електроконтактне поверхневе гартування здійснюється нагрівом стру­мами високої частоти, що підводяться через мідні водоохолоджуючі ролики. Його недолік — наявність відпущених проміжків на зміцненій поверхні.

Електролітичне поверхневе гартування є нагрівом поверхні деталі за ра­хунок електрохімічної енергії, що виділяється поблизу катода при прохо­дженні через електроліт постійного струму. Після відключення струму, охо­лодження здійснюється в тому ж електроліті.

Індукційне гартування здійснюється шляхом нагріву деталі струмами високої частоти з подальшим охолодженням у воді. Цей вид поверхневого гартування був вперше здійснений професором В.П.Вологдіним в 1923-1924 рр. і знайшов широке застосування в промисловості.

Суть процесу нагріву струмами високої частоти полягає у тому, що змінний магнітний потік, створюваний змінним струмом високої частоти, проходячи вздовж провідника (індуктора), індуктує в металі деталі, яка роз­міщується всередині індуктора, вихрові струми. Струм, проходячи вздовж провідника (деталі), зустрічає опір, внаслідок чого деталь нагрівається. Схе­ма установки показана на рис. 4.8. Змінюючи силу струму, індукованого в деталі, можна одержати необхідну кількість тепла для її нагріву до певної те­мператури.

Струм високої частоти (більше 50 Гц) одержують від спеціальних машинних генераторів (500-15 000 Гц) або від лампових генераторів (15000-10 000 000 Гц).

Розподіл змінного струму по перетину деталі нерівномірний. Густина струму на поверхні більше, ніж в серцевині, тому і спостерігається більший нагрів поверхневих шарів.

Процес нагріву металу струмами високої частоти відбувається дуже швидко і навіть при значному перегріві не спостерігається зростання зерна. В результаті гартування в поверхневому шарі утворюється структура дрібного-льчастого мартенситу, який відрізняється підвищеною в'язкістю, а в серцеви­ні залишається перлітно-феритна або сорбітна структура.

Основними перевагами індукційного гартуванння є висока продуктив­ність, відсутність вигоряння вуглецю з поверхні деталі, можливість регулю­вання глибини загартованого шару.

Оскільки для здійснення процесу гартування необхідно для кожної кон­фігурації деталей мати свій індуктор і дороге устаткування, то індукційне га­ртування знайшлло широке застосування тільки в серійному і масовому виробництві.