Упрочняющая термическая обработка стали 30ХГСА .

Выбор параметров режима закалки стали.

Закалка - самый распространенный вид термической обработки. Столь широкое распространение этого вида термической обработки объясняется тем, что при помощи закалки и последующего отпуска можно изменить свойства стали в очень широком диапазоне. Были рассмотрены превращения, которые протекают в стали, имеющей структуру аустенита, при ее охлаждении с различной скоростью.

Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное аустенитное состояние, т. е. нагревают выше критических температур Ас₃ или Ас_cm, при неполной – до межкритических температур – между Ас₁₌760 и Ас₃ (Ас_cm)=830.

Закалку проводят с нагревом до 850—900 °С (выше точки А₃ сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия пос­ле первой закалки состоит из феррита и перлита. В прокаливающейся насквозь легирован­ной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродис­того мартенсита. Такая структура обеспечивает повышен­ную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

Температура закалки равна:

t_зак = Ас₃+ (30 — 50), °С t_зак = 860-880°С

В результате после охлаждения со скоростью выше V_кр получили структуру сердцевины детали, состоящую из троостита. В поверхностном слое структуру крупноигольчатого мартенсита.

Время нагрева детали до заданной температуры зависит от температуры нагрева, степени легированности стали, конфигурации изделий, мощности и типа печи, величины садки, способа укладки изделий и других факторов.

Время выдержки исчисляется с момента достижения детали заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

Время закалки расчитывается по следующим формулам.

- будет зависит от нагревающего устройства (в нашем случае это будет электропечь т.е. время нагрева будет 1 мин/1 мм сечения наибольшего диаметра в изделии).

- будет составлять 25% от времени нагрева.

Закалку данной детали будем проводить в электропечи, располагая в нем изделия, _{нагрева}= 1 мин * 1 мм сечения = 55 1=55 минут нагрева.

Время выдержки в электропечи составит 25% от времени нагрева, _{выдержки}= 13 минут 45 секунд.

_{закалки=} 55+13,75=68,75мин.

Время закалки составит 1 час 8 минут 45 секунд.

Выбор охлаждающей среды.

Условия аустенитизации и соответственно состояние аустенита оказывают большое влияние на кинетику фазовых превращений при последующем охлаждении и конечные свойства образующихся при этом структур стали.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (\/_охл. > \/_кр). Значение \/_кр определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита (рисунок 5).

V_кр=(760)/2*300= 1,26 ⁰С/с

Рисунок 5 – С- кривые изотермического распада аустенита для стали 30ХГСА.

Зная скорость охлаждения, мы можем определить закалочную среду. В данном случае при закалке на мартенсит необходимо охлаждать в масло, так как сталь 30ХГСА – легированная.

Вода как охлаждающая среда имеет некоторые существенные недостатки: высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность. При температуре воды 80 – 90⁰С пленочное кипение распространяется на большую область температур и занимает до 95% всего периода охлаждения, поэтому мы охлаждаем в масле.

При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные – высокими, что может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8-12%-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.

Влияние легирующих элементов.

Сталь 30ХГСА содержит следующие легирующие элементы: хром, марганец. Прежде всего легирующие элементы увеличивают такое важное свойство как критический диаметр прокаливаемость. Наша сталь прокаливается насквозь до 50 мм. Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование. Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Такой элемент как хром будет входить в твердый раствор железа и упрочнять его, сужать область существования аустенита, образовывать устойчивые карбиды, повышать сопротивление коррозии.

Легирующие элементы (хром и марганец), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Это связано с тем что для распада аустенита углеродистой стали нужна диффузия углерода. Маленькие атомы углерода перемещаются в кристаллической решетке железа легко, а для распада аустенита легированной стали должна пройти диффузия легирующих элементов. Их атомы по размеру сравнимы с атомами железа, и диффузия идет медленнее. Переохлажденный аустенит оказывается устойчивее. Карбидообразующие элементы: Cr, Ni - при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа(что существенно повышает твердость). Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)mCn, где М - символ суммы легирующих элементов, a m, n - коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятельные карбиды.