Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
9.10. Закалка Закалка стали включает нагрев ее выше температур фазовых пре- вращений, выдержку для завершения всех превращений и охлаждение 118 с высокой скоростью (больше или равной критической) с целью по- лучить при комнатной температуре структурно неустойчивое состоя- ние, обеспечивающее более высокие прочность и твердость стали. В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. При полной закалке нагрев осуществляют на 30…50 °С выше А с3 или А ст . После закалки получается мартенситная структура с некоторым количеством остаточного аустенита. При неполной закалке сталь нагревают на 30…50 °С выше А с1 , но ниже А с3 или А ст . В этом случае в нагретом состоянии структура доэв- тектоидных сталей состоит из аустенита и феррита, а заэвтектоидных – из аустенита и вторичного цементита. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, твердость которого зависит от содержания углерода в стали. После неполной закалки в доэвтектоидных сталях структура со- стоит из мартенсита и включений зерен феррита, а в заэвтектоидных – из мартенсита и округлых включений вторичного цементита. Наличие феррита в структуре закаленной доэвтектоидной стали снижает твер- дость, поэтому такая закалка применяется реже. Наличие избыточно- го цементита в структуре закаленной заэвтектоидной стали, наоборот, полезно. Заэвтектоидные стали обычно используют для изготовления ин- струмента. Важнейшее требование к ним – твердость, которая после полной закалки снижается за счет значительного увеличения количе- ства остаточного аустенита в мартенситной структуре этих сталей. Остаточного аустенита тем больше, чем большее количество углерода переходит в твердый раствор при нагреве стали. Округлые включения цементита не только не уменьшают, но даже увеличивают твердость, а следовательно, и износостойкость стали. Кроме того, поскольку нагрев ведется при температурах ниже А ст , замедляется рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке и менее интенсивно обезуглероживается поверхность металлов. Наиболее благоприятная структура заэвтектоидных сталей достига- ется тогда, когда включения вторичного цементита имеют форму сферо- идов – зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопу- стима, так как увеличивает хрупкость стали. Поэтому закалке заэвтекто- идных сталей должен предшествовать отжиг – сфероидизация. Таким образом, для доэвтектоидных сталей рационально приме- нять полную закалку с нагревом до температуры А с3 + 30…50 °С, для заэвтектоидных – неполную с нагревом до температуры на 30…50 °С выше А с1 119 При закалке для достижения максимальной твердости стремятся получить мартенситную структуру. Минимальная скорость охлажде- ния, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. Критическая скорость закалки качественно определяется по диаграм- ме изотермического распада аустенита, из которой следует, что быст- рое охлаждение необходимо в области наименьшей устойчивости аустенита (400…650 °С), чтобы предотвратить его превращение в ферритно-цементитную смесь. Ниже 300 °C, наоборот, целесообразно медленное охлаждение. При чрезмерно высоких скоростях охлажде- ния в металле могут возникнуть внутренние напряжения, способные привести к короблению или растрескиванию деталей. Внутренние напряжения при закалке образуются из-за разницы температур по сече- нию деталей при их охлаждении и различного по времени протекания фазовых превращений в разных участках детали. Возникновение фазо- вых напряжений обусловлено большим удельным объемом мартенсита по сравнению с аустенитом. При охлаждении закаливаемой стали в жидкой среде различают три периода, характеризующиеся разной скоростью охлаждения: 1) период пленочного кипения, когда теплопередаче препятствует образование паровой рубашки, из-за чего скорость охлаждения срав- нительно невелика; 2) период пузырчатого кипения, при котором паровая рубашка разрушается и интенсивность охлаждения резко возрастает; 3) период конвективного теплообмена, когда температура детали ниже температуры кипения жидкости, а скорость охлаждения резко падает. Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире ин- тервал пузырчатого кипения. Применение растворов солей и щело- чей уменьшает период пленочного кипения, что, соответственно, поз- воляет заметно повысить скорость охлаждения в перлитном интерва- ле. В промышленности нашли применение новые закалочные среды, объединяемые в группу полимерных, которые имеют в перлитном интервале скорость охлаждения, близкую к скорости воды, а в мар- тенситном интервале – близкую к скорости масла. Применение этих сред наиболее целесообразно для закалки деталей со сложной геомет- рией и большой разнотолщинностью. Данные табл. 9.1 показывают, что не существует идеальной зака- лочной среды, удовлетворяющей условию достижения оптимальной 120 скорости охлаждения при закалке от разных температур. Растворы солей и щелочей при образовании мартенсита могут вызвать короб- ление и трещины, а масло, имеющее хорошие свойства при этих тем- пературах, менее выгодно при температурах 650…400 °С. Т а б л и ц а 9.1 Скорость охлаждения сталей в различных закалочных средах, °С/с Закалочная среда Интервал температур, °С 650–550 300–200 Вода, 18 °С 600 270 Вода, 50 °С 100 270 10% и раствор NaOH в воде 1200 300 10% и раствор NaCl 11100 300 Минеральное масло 100–150 20–50 Спокойный воздух 3 1 Полимерная закалочная среда ПК-2 300–550 50–100 Полимерная закалочная среда ВП-3 300–550 50–100 Прокаливаемостью стали называется глубина проникновения за- каленной зоны. Несквозная прокаливаемость обусловлена тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в сердцевине. Распределение скорости охлаждения по сечению детали показывает, что у поверхности скорость охлаждения максимальна, а в центре минимальна (рис. 9.12). Глубина проникновения закаленной зоны соответствует заштри- хованному слою, т.е. проходит до точки пересечения кривых крити- ческой скорости закалки v кр и скорости v охл . Чем меньше v кр , тем больше прокаливаемость. Прокаливаемость, как и критическая скорость охлаждения, тесно связана со степенью устойчивости переохлажденного аустенита и, следовательно, с положением кривых на диаграмме изотермического превращения. Критический диаметр D кp есть максимальный диаметр сечения, прокаливающегося в данном охладителе насквозь со структурой в центре заготовки 95% мартенсита или 50% мартенсита + 50% тро- остита. В этом случае минимальная скорость охлаждения в центре детали v охл > v кр Если за глубину прокаливаемости принимается слой с полумар- тенситной зоной (50% мартенсита и 50% тростита), то критический диаметр обозначают D 50 . При охлаждении в воде он больше, чем при охлаждении в масле. Наиболее простой метод определения критиче- ского диаметра – торцевая закалка, когда охлаждение цилиндрическо- 121 го образца осуществляется только с торца. После закалки измеряют твердость на боковой поверхности по высоте образца и строят кривую зависимости твердости от расстояния от торца. Чем меньше прокали- ваемость, тем быстрее падает твердость при удалении от торца. Про- каливаемость стали одной марки разных плавок различна, поэтому сталь определенной марки характеризуется полосой прокаливаемо- сти. 122 Рис. 9.12. Зависимость прокаливаемости от величины критической скорости за- калки: а и а' – глубина закаленного слоя; к v , к v , к v – критические скорости охлаждения углеродистой, низколегированной и высоколегированной стали Прокаливаемость является важной характеристикой стали. При сквозной прокаливаемости по сечению изделия механические свой- ства одинаковы, при несквозной наблюдается снижение прочности (предела текучести), пластичности и вязкости металла. Чем выше ка- тегория прочности, больше сечение и ответственнее деталь, тем больше значение прокаливаемости. На прокаливаемость влияют состав стали (содержание углерода и легирующих элементов), размер зерна, наличие включений, не рас- творяющихся при нагреве под закалку, и характер закалочной среды. Легированные стали имеют значительно более высокую прокаливае- мость по сравнению с углеродистыми, так как при легировании по- вышается устойчивость переохлажденного аустенита. Прокаливае- мость углеродистых сталей падает с понижением содержания углеро- да, в заэвтектоидной стали – с увеличением. Наличие включений, не растворяющихся при нагреве под закалку, и уменьшение скорости охлаждения также снижают прокаливаемость. При закалке в масле сквозная прокаливаемость деталей из среднеуглеродистой стали со- ставляет всего лишь 3…4 мм, при закалке в воде – до 10…15 мм. Рез- ко уменьшается она и с увеличением размеров заготовки. Так, в заго- товке диаметром до 40 мм из стали 45 при закалке в воде мартенсит- ная структура достигается на глубине всего лишь 4 мм. Прокаливаемость является одним из основных критериев и при выборе марки стали рассматривается наряду с ее механическими свойствами, технологичностью и себестоимостью. В некоторых случаях необходимая прокаливаемость может быть меньше сквозной. Если детали работают на кручение и изгиб, то воз- никающие в них напряжения уменьшаются от максимальных на по- верхности до нуля в середине. Для таких деталей сквозная прокалива- емость необязательна и достаточна на расстоянии 1/2…1/4 радиуса от поверхности. Выбор способа охлаждения нагретой под закалку детали зависит от ее формы, размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, тем выше напряжения, возникающие при закалке, и больше опасность образования трещин. Чем больше содержание углерода в стали, тем большие объемные изменения про- текают при превращении, тем больше опасность деформации и обра- зования трещин, тем тщательнее следует выбирать способ охлажде- 123 ния при закалке. Идеальная кривая охлаждения должна характеризо- ваться максимальной скоростью в начале охлаждения при прохожде- нии интервала наименьшей устойчивости аустенита и минимальной в конце охлаждения при мартенситном превращении. Наиболее простой способ закалки – закалка в одном охладителе, при котором нагретая деталь погружается в охлаждающую жидкость и остается там до полного охлаждения (рис. 9.13). Недостаток этого способа – возникновение значительных внутренних напряжений. Для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм наиболее широ- ко применяемой закалочной средой является вода, для деталей мень- ших размеров и легированных сталей – масло. Для уменьшения внутренних напряжений применяется закалка в двух средах, при которой деталь сначала охлаждают в воде до 300…400 °С, а затем для окончательного охлаждения переносят в масло. Недостаток этого способа – трудность регулирования выдерж- ки деталей в первой охлаждающей жидкости. Точное регулирование достигается при ступенчатой закалке (кривая 3). При этом деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой, немного (на 30…50 °С) превышающей температуру мартенситного превращения данной стали (М н ), выдерживается при этой температуре до достижения одинаковой температуры по всему сечению, после че- го охлаждается на воздухе. Мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении на воздухе, что резко снижает внутрен- ние напряжения и возможность коробления. Рис. 9.13. Схема режимов при разных способах закалки: 1 –-в одном охла- дителе; 2 –в двух средах; 3 – ступен- чатая закалка; 4 – изотермическая закалка 124 Недостатком этого способа является ограничение размера дета- лей. Из-за низкой скорости охлаждения в сравнительно нагретой сре- де при закалке крупных деталей в их центральных зонах скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Максимальный диа- метр деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, – 10 мм, легированных – 20…30 мм. При изотермической закалке в отличие от ступенчатой сталь выдерживается в ваннах до окончания изотермического превраще- ния аустенита. Температура соляной ванны обычно составляет 250…350 °С. В результате изотермической закалки получается струк- тура бейнита с твердостью 45…55 HRC при сохранении повышенной пластичности и вязкости. Длительность выдержки определяется с по- мощью диаграмм изотермического превращения аустенита. Закалка с самоотпуском применяется при термообработке ин- струмента типа зубил, молотков, в которых должны сочетаться высо- кие твердость и вязкость. В этом случае изделия выдерживают в зака- лочной ванне не до полного охлаждения. За счет тепла внутренних участков происходит нагрев поверхностных слоев до нужной темпе- ратуры, т.е. самоотпуск. В структуре стали, закаленной при комнатной температуре, при- сутствует некоторое количество остаточного аустенита. Он снижает твердость и износостойкость деталей и может приводить к изменению их размеров при эксплуатации в условиях низких температур из-за самопроизвольного образования мартенсита из аустенита. Для уменьшения содержания остаточного аустенита применяют обработ- ку холодом, которая состоит в охлаждении стали ниже 0 °С до темпе- ратур конца мартенситного превращения М к (обычно не ниже –75 °С), получаемых в смесях сухого льда со спиртом. Обработка холодом должна проводиться сразу же после закалки во избежание стабилиза- ции аустенита. 9.11. Отпуск Отпуск является заключительной операцией термической обра- ботки, состоящей из нагрева стали ниже его критической точки А с1 с последующим охлаждением, при котором формируется окончатель- ная структура стали. Отпуск проводится после операции закалки. Из- менения в структуре при нагреве закаленной стали приводят к изме- нению ее свойств (рис. 9.14). Различают низкий, средний и высокий отпуск. 125 Низкий отпуск проводят при 150…200 °С с целью снизить внут- ренние напряжения и несколько уменьшить хрупкость мартенсита при сохранении высокой твердости и износостойкости деталей. Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Основная область применения низкого отпуска – режущий и меритель- ный инструмент, а также машиностроительные детали, которые долж- ны обладать высокой твердостью и износостойкостью. Рис. 9.14. Изменение твердости и механических свойств закаленной стали, со- держащей 0,4 % С, в зависимости от температуры отпуска (а), и влияние темпе- ратуры отпуска и скорости охлаждения после отпуска на ударную вязкость хро- мокремнистой стали (б) Цель среднего отпуска, который проводят при 350…450 °С, – не- которое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносли- вости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок. Цель высокого отпуска при 550…650 °С – достижение оптималь- ного сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Струк- тура стали – однородный сорбит отпуска с зернистым цементитом. Область применения высокого отпуска – конструкционные стали, де- тали из которых подвергаются воздействию высоких напряжений и ударным нагрузкам. Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском, улучшающая общий комплекс механических 126 свойств, является основным видом термической обработки конструк- ционных сталей и называется улучшением. Температуру отпуска обычно выбирают в зависимости от заданной твердости. В этом слу- чае изделие закаливают на максимальную твердость, которую затем отпуском снижают до заданной. Вязкость сталей, особенно легиро- ванных, зависит от режима отпуска: температуры, времени выдержки и скорости охлаждения после отпуска (рис. 9.14, а). При определенных температурах и медленном охлаждении в ста- лях появляется отпускная хрупкость. Принято различать отпускную хрупкость I и II рода. Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается при от- пуске как легированных, так и углеродистых сталей при температуре около 300 °С (в интервале 250…400 °С). Причина ее – неравномер- ность распада мартенсита по границам и внутри зерна при отпуске. Вблизи границ карбиды выделяются интенсивнее, там создается кон- центрация напряжений, что делает границы зерен более хрупкими. При повышении температуры отпуска или увеличении продолжи- тельности нагрева структура по сечению зерна выравнивается и от- пускная хрупкость I рода устраняется. Повторный отпуск при темпе- ратуре 250…400 °С не приводит к отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость II рода (обратимая) наблюдается при мед- ленном охлаждении после отпуска при 450…550 °С. При повторном нагреве, но быстром охлаждении при этой же температуре она исче- зает. При медленном охлаждении по границам зерен успевают выде- литься мелкие карбиды, фосфиды и нитриды, которые вызывают охрупчивание границ. При быстром охлаждении эти частицы не вы- деляются. Этот вид хрупкости характерен для легированных сталей, причем чаще для сталей с повышенным содержанием хрома и марганца. Введение даже небольших количеств молибдена (0,2… …0,3% Мо) или вольфрама (0,6…1,0% W) резко снижает склонность стали к отпускной хрупкости II рода (рис. 9.14, б). Мерами борьбы с этим видом хрупкости являются охлаждение после отпуска не на воздухе, а в масле, а для крупных деталей – даже в воде, а также дополнительное легирование стали молибденом или вольфрамом. 10. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 127 10.1. Упрочнение поверхности методом пластического деформирования Многие изделия должны иметь высокую твердость и прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Эффективными способами упрочнения поверхностного слоя являются дробеструйная обработка, позволяющая прорабатывать стальные детали на глубину до 0,7 мм, и обкатка поверхности роликами на глубину до 15 мм. При этом проис- ходит наклеп поверхности детали, позволяющий повысить ее уста- лостную прочность без изменения материала и режима термической обработки. Наклепу подвергают готовые детали, прошедшие механи- ческую и термическую обработку. При дробеструйной обработке на поверхность деталей из специ- альных дробеметов с большой скоростью направляют поток стальной или, реже, чугунной дроби диаметром 0,5…1,5 мм. Удары дроби вы- зывают пластическую деформацию поверхностного слоя, вследствие чего он становится более твердым. В нем создаются остаточные напряжения сжатия и тем самым повышается усталостная прочность. Если в поверхностном слое присутствует остаточный аустенит, то благодаря наклепу происходит его фазовое превращение с образова- нием мартенсита, что дополнительно увеличивает твердость и изно- состойкость. Благодаря дробеструйной обработке сглаживаются мел- кие поверхностные дефекты, являющиеся концентраторами напряже- ний. Дробеструйной обработке подвергают поверхность рессор и пружин, зубчатых колес, звеньев гусениц, гильз и поршней. В резуль- тате предел выносливости рессор увеличивается в полтора раза и в несколько раз возрастает их долговечность. Обкатку роликами проводят с помощью специальных приспособ- лений на обычных токарных или строгальных станках. Давление на ролики осуществляется гидравлически или с помощью пружин. Об- катку роликами применяют для обработки шеек валов, осей железно- дорожных вагонов, коленчатых валов и других деталей. Помимо упрочнения обкатка повышает чистоту обрабатываемой поверхности. |