Легированные конструкционные стали

И МЕТОДЫ ИХ УПРОЧНЕНИЯ

Цель работы: изучение принципов легирования конструкционных сталей и влияния легирования на их свойства; изучение технологических процессов упрочнения сталей, микроструктуры и свойств поверхностно упрочненных стальных изделий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Легированной называется сталь, в которую для придания ей определенных механических, технологических или специальных свойств добавлены легирующие элементы. Основными легирующими элементами в стали являются Cr – Х, Ni – Н, Mn – Г, Si – С, Мо – М, W – В, V – Ф, Ti – Т, Со – К, Al – Ю, В – Р, Nb – Б, Se – E, N – A, Cu – Д, P – П, Zr – Ц, РЗМ - Ч (буква после тире соответствует обозначению в марке). В сталь вводится один или несколько легирующих элементов. В марке содержание легирующего элемента, если оно превышает 1...1,5 %, указывается цифрой (массовая доля в процентах), стоящей после соответствующей буквы. Цифры в начале марки обозначают содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей (двухзначная цифра), в десятых – для инструментальных (однозначная цифра).

В настоящее время число марок сталей очень велико, разнообразны их структуры и свойства. Важно знать, как изменяются структура, и свойства исходной стали при введении легирующих элементов. Необходимо уметь правильно выбрать марку стали, которая после соответствующей термической обработки обеспечит необходимые свойства, долговечность изделий в работе.

Легированные и углеродистые стали можно классифицировать по различным параметрам, в том числе и по применению. В последнем случае их подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

Конструкционные стали делятся на строительные и машиностроительные. Строительные стали – предназначены для изготовления строительных конструкций, машиностроительные стали – для изготовления деталей машин. В данной работе рассматриваются машиностроительные стали. Если к машиностроительной стали не предъявляется каких-либо специальных требований, работоспособность изделий определяется значениями следующих характеристик: прочности, пластичности, вязкости разрушения (ударной вязкости).

Мерами прочности являются условный предел текучести s_0,2 предел прочности при растяжении s_В, и др. Предел текучести s_0,2 (МПа) – напряжение, при котором относительная пластическая деформация образца не превышает 0,2 %. Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) s_В (МПа) – напряжение при растяжении образца, соответствующее наибольшей нагрузке, приводящей к его разрушению.

Пластичность металлических материалов характеризуется относительным удлинением d (%) – отношением прироста длины образца (Dl) в момент его разрыва к первоначальной длине (l₀), а также относительным сужением y (%) – отношением наибольшего уменьшения (в месте разрыва) поперечного сечения образца (DF) к первоначальной площади поперечного сечения (F₀).

Ударная вязкость KCU (МДж/м²) является мерой надежности материала и определяет его способность поглощать механическую энергию в процессе работы под нагрузкой, т. е. характеризует сопротивляемость материала разрушению вследствие разрастания возникшей в месте концентрации напряжений микротрещины. Микротрещина, если она не растет, может существовать достаточно долго в материале, не снижая его работоспособности. Рост трещины при низкой пластичности металла приводит к его разрушению. Таким образом, разрушение материала следует рассматривать как процесс зарождения и роста трещины, который характеризуется периодом времени t от момента приложения нагрузки до момента разрушения. Этот период времени, в течение которого работает изделие, характеризует долговечность материала.

В случаях, когда детали машин подвергаются высоким нагрузкам, для их изготовления необходимо применять улучшаемые стали. Улучшаемыми называют стали, подвергаемые закалке и высокому отпуску. При такой обработке сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание ее прочности и вязкости. Естественно, что для получения такой структуры сталь должна обладать сквозной прокаливаемостью.

Если же деталь испытывает изгибающие или крутящие нагрузки, сердцевина детали практически не подвергается их воздействию. В этом случае сквозная прокаливаемость не всегда необходима, более того, требуется вязкая, не закаленная на мартенсит сердцевина. При таких нагрузках важно упрочнять рабочие поверхностные слои изделий одним из известных в настоящее время методов. Выделяют группу конструкционных поверхностно упрочняемых сталей. Они могут использоваться благодаря высокой поверхностной твердости как конструкционные износостойкие (например, при работе детали в паре с подшипником скольжения).

Сквозную прокаливаемость, одинаковую структуру и свойства по всему сечению, высокие пределы упругости, пропорциональности, текучести и выносливости, повышенную релаксационную стойкость должны иметь рессорно-пружинные стали (табл. 10.1).

Оптимальные свойства рессор и пружин обеспечивает сталь со структурой троостита отпуска твердостью 42... 48 HRC. При выборе материала надо учитывать, что углеродистые стали имеют значительно меньшую прокаливаемость, чем легированные, и пригодны лишь для изготовления рессор и пружин малого сечения. В 1,5... 2 раза можно повысить предел выносливости рессор и пружин, а, следовательно, и их долговечность за счет гидроабразивного или дробеструйного наклепа.

 

 

Таблица 9.1

Свойства рессорно-пружинных сталей (ГОСТ 14959 – 79)

после закалки и среднего отпуска

 

Марка стали	Температура, ^оС	Механические свойства (не менее)	Назначение
закалки	отпуска	s0,2, МПа	sВ, МПа	d, %	y, %
65Г 55С2 50ХГА   50ХФА 60С2ХФА     65С2ВА   60С2ХА   45ХН2МФА							Рессоры, пружины, упругие элементы станочного оборудования   Рессоры легковых автомобилей, пружины ответственного назначения   То же при нагреве до 250 ^0С   Пружины часовых механизмов   Торсионные валы, крупные клапанные пружины

 

Конструкционные улучшаемые углеродистые и легированные стали содержат 0,3...0,5 % С. Повышать содержание углерода в этих сталях нецелесообразно, так как они становятся хрупкими и непригодными для использования в машиностроении. Из улучшаемых сталей изготавливают шпильки, болты, гайки, шпонки, шпиндели, оси, муфты, коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, шестерни и другие детали.

Рис. 9.1. Зависимость прочности (а)и ударной вязкости (б)

феррита от содержания в нем легирующих элементов

 

Хром, марганец, кремний и никель, легируя феррит, повышают его прочность (рис. 9.1, а), не снижая или даже увеличивая при этом вязкость (рис. 9.1, б). Кроме того, эти элементы, введенные по отдельности или в сочетании (Cr + Ni; Cr + Ni + Mo), повышают устойчивость переохлажденного аустенита. В результате снижается критическая скорость закалки и, как следствие, существенно повышается прокаливаемость стали. Сказанное позволяет использовать легированные стали для изготовления изделий сечением более 10...12 мм и проводить их закалку в мягких средах, таких, как масло.

При выборе стали (табл. 9.2) следует учитывать и ее стоимость. Чем больше легирующих элементов в стали, тем она дороже. Никель и хром (до 1 %) – те немногие элементы, которые надежно понижают порог хладноломкости стали. Молибден при введении в хромомарганцовистые и хромоникелевые стали предотвращает их охрупчивание, развивающееся при медленном охлаждении с температур высокого отпуска.

Таблица 9.2

Свойства улучшаемых конструкционных сталей

(ГОСТ 4543 – 71) после закалки в масле и высокого отпуска

 

Марка стали	s0,2, МПа	KCU, МДж/м^2	Критический диаметр прокаливаемости, мм	Т50, ^0С
40* 45* 45Х* 30ХГТ 30ХГС 30ХМ 38ХГМ 40ХН 45ХН 40ХНМ 40ХН2М 38ХНЗМФ 40Х2Н2М	600...620 б10...630 730...820 900...1000 900...960 820...840 900...950 820...930 900...950 950...1000 980...1000 1000...1100 950...1100	0,50...0,62 0,60...0,62 0,78...0,85 0,75...0,80 0,70...0,80 0,80...0,85 0,80...0,85 0,80...0,85 0,75...0,85 1,00...1,05 0,90...1,00 0,75...0,80 0,90…1,00		– 20 – 20 – 50 – 20 – 20 – 60 – 40 – 60 – 60 – 80 – 80 – 100 – 90

______________

^*Закалка в воде

 

Если деталь имеет сравнительно простую конфигурацию, при которой закалка в воде допустима, размер ее сечения не превышает 10...12 мм, а воспринимаемые нагрузки сравнительно невелики (s_В < 600 МПа), ее можно изготавливать из углеродистых сталей марок 30, 35, 45. После закалки и высокого отпуска сталь приобретает структуру сорбита зернистого (см. рис. 8.7). Для повышения прочностных характеристик изделий сложных форм при размерах сечения более 10...12 мм используют легированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов, как правило, не превышает 5 %. Стали в этом случае легируют хромом, марганцем, кремнием (массовая доля каждого не должна превышать 2 %, а также Ni – до 5 %, Мо – до 0,5, V или Ti – до 0,12 %). Легирующие элементы растворяются в цементите и феррите.

Порог хладноломкости – интервал температур, при которых металл из вязкого состояния переходит в хрупкое. При температурах выше порога хладноломкости металл разрушается вязко (т. е. разрушению предшествует пластическая деформация), ниже – хрупко. Обычно за порог хладноломкости принимают температуру полухрупкого разрушения (Т₅₀) Надежная эксплуатация изделия возможна лишь при температурах выше порога хладноломкости. Чем больше разница между температурой эксплуатации изделия и средней температурой интервала хладноломкости Т₅₀, тем больше запас вязкости, тем надежнее работа изделия.

Температура полухрупкого разрушения зависит от химического состава и микроструктуры стали, размера зерна, вида термической обработки и микроструктуры. Порог хладноломкости стали активно снижается за счет ее легирования хромом (до 1 % ) и особенно никелем (рис. 10.1, а). Снижение Т₅₀ составляет примерно 10 ^оС при увеличении массовой доли никеля в стали на 0,01. Улучшенное состояние сталей соответствует наиболее низкому значению Т₅₀, т. е. повышению запаса вязкости.

Повышение долговечности деталей машин и оборудования, прежде всего, связано с упрочнением поверхностных слоев изделий, поскольку разрушение металлических изделий в большинстве случаев развивается с поверхности. Условно методы упрочнения можно разделить на три группы: 1) нанесение на поверхность слоя другого материала с заданными свойствами; 2) изменение структуры поверхностного слоя; 3) изменение химического состава поверхностного слоя диффузионным путем.

Нанесение на поверхность изделий слоев других металлов (химическим или гальваническим способом, сваркой, наплавкой, пайкой, припеканием, металлизацией) или неметаллических материалов (окрашиванием, эмалированием, гуммированием и другими методами) позволяет не только упрочнять или защищать детали от воздействия внешней среды, но и в большинстве случаев восстанавливать их изношенные поверхности. Так, газопорошковая или индукционная наплавка металлических порошков системы Ni – Cr – B – Si – C позволяет восстанавливать и упрочнять гильзы цилиндров, штоки, валы, защитные втулки и ряд других деталей. Полученные покрытия обладают высокой твердостью (до 61 HRC), износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Поверхностные слои стальных изделий можно упрочнять холодным пластическим деформированием, поверхностной закалкой, лазерной обработкой и некоторыми другими методами. Рассмотрим названные методы несколько подробнее. Холодное пластическое деформирование обеспечивает наклеп, т. е. упрочнение металла. Если наклепу подвергать поверхностный слой изделия, повышаются твердость и износостойкость его поверхности, создаются большие остаточные напряжения сжатия, возрастает сопротивление усталости, улучшается качество поверхности. Основные способы поверхностного упрочнения деталей наклепом: дробеструйная обработка, обкатка, чеканка. Упрочнение наклепом на глубину до 0,7 мм небольших деталей сложной формы (пружин, рессор, гильз, звеньев цепей и др.) осуществляют дробеструйной обработкой. Поток твердой дроби из белого чугуна направляют дробеметом на упрочняемую поверхность. Дробь при ударе пластически деформирует металл на небольшую глубину.

Обкатка твердосплавными роликами или шариками с помощью специальных приспособлений на металлообрабатывающих станках позволяет обеспечить наклеп на большую глубину (до нескольких миллиметров) и применяется для упрочнения больших деталей в зонах концентрации напряжений (например, шеек и галтелей валов).

Ответственные сварные соединения подвергают поверхностному упрочнению чеканкой, т. е. ударному воздействию механических или пневматических бойков. Глубина наклепа при этом увеличивается.

Поверхностная закалка детали, в отличие от объемной, позволяет упрочнять только поверхностный слой на определенную глубину. Ее можно проводить двумя способами. В первом случае нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. Во втором случае нагревают всю деталь, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью, большей критической.

Наиболее распространены в практике поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная. Способ поверхностной закалки с нагревом ТВЧ заключается в следующем. В переменное электромагнитное поле, создаваемое электрическим током высокой частоты, пропускаемым по проводнику-индуктору, помещают металлическую деталь-проводник. В поверхностном слое детали индуцируются вторичные вихревые токи Фуко, которые и вызывают нагрев поверхностного слоя детали. Повышение частоты первичного тока приводит к уменьшению толщины поверхностного слоя (d, см), по которому протекает ток:

где r – удельное электросопротивление нагреваемого металла, Ом×см; f - частота тока, Гц; m – магнитная проницаемость, Гн/м.

Поверхностный слой нагретой детали закаливают с помощью душевого устройства (спрейера), зачастую совмещаемого с индуктором. После закалки проводят низкий отпуск при 150...200 ^оС. Поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и последующему низкому отпуску подвергают коленчатые валы, распределительные валики, шестерни и другие детали машин, изготавливаемые из углеродистых и легированных сталей, содержащих 0,4... 0,6 % С (стали 40, 45, 50, 35Х, 45Х, 40ХН, 40ХНМ и др.). Получаемая в закаленном слое микроструктура мелкоигольчатого мартенсита отпуска обеспечивает его высокие твердость (55...62 HRC) и износостойкость. Рассматриваемый технологический процесс высокопроизводителен, успешно применяется в массовом и серийном производстве в машиностроении, характеризуется высоким уровнем автоматизации.

Для крупных деталей (валы, прокатные валки) более экономичной является поверхностная закалка с нагревом газопламенными горелками (кислород-ацетиленовыми, кислород-пропановыми и другими).

При поверхностном упрочнении деталей особо сложной конфигурации на малых участках их поверхности с обеспечением минимальных деформаций (резцы, элементы штамповой оснастки, втулки и седла клапанов, поршневые кольца, галтели коленчатых валов, вкладыши цилиндров и др.) наиболее эффективно лазерное поверхностное упрочнение. Общие затраты энергии при таком упрочнении примерно в 3 раза ниже, чем при закалке ТВЧ, и в 20 раз ниже, чем при объемной закалке в печи. Наибольшее применение лазерное упрочнение нашло в автомобилестроении.

Лазеры – это оптические квантовые генераторы, вырабатывающие высококонцентрированный пучок световой энергии. Известны газовые, полупроводниковые, твердотельные и жидкостные лазеры различной мощности.

Для поверхностного упрочнения чаще всего применяют газовые СО₂ -лазеры непрерывного действия типа “Кардамон” или импульсные твердотельные лазеры типа “Квант” мощностью 0,5...10 кВт. Кратковременное (10^-3... 10^-8 с) воздействие светолучевого пучка вызывает разогрев небольшого (до 4 мм в диаметре и до 1 мм глубиной) объема металла, который закаливается вследствие быстрого отвода теплоты в металл. В случае нагрева до оплавления весьма тонкого слоя возможно даже образование аморфного металла (остекловывание).

Обычно след воздействия луча лазера (“дорожка”) состоит из последовательно расположенных округлых пятен, каждое из которых имеет две термические зоны – центральную и периферийную. Микроструктура стали в пятне (от его периферии к сердцевине): белая зона – нетравящийся мелкодисперсный весьма твердый мартенсит, затем крупноигольчатый мартенсит и мартенситно-ферритная смесь неполной закалки.

Лазерная обработка применяется для упрочнения углеродистых и легированных конструкционных и инструментальных сталей (40, 45, У10, Х12, ХВГ, Р18, ШХ15), серых, ковких и высокопрочных чугунов.

Можно получить закаленный поверхностный слой также и при сквозном нагреве детали, если она изготовлена из стали ограниченной прокаливаемости (55ПП – пониженной прокаливаемости; 47РП – регламентируемой прокаливаемости).

Поверхностное упрочнение деталей можно осуществить химико-термической обработкой (ХТО), т. е. путем их нагрева в химически активной среде, вызывающего изменение химического состава, а, следовательно, структуры и свойств металла поверхностного слоя. В зависимости от вида применяемой ХТО можно избирательно повысить его твердость, износостойкость, окалиностойкость и улучшить ряд других свойств. Основным преимуществом ХТО перед другими методами поверхностного упрочнения является возможность радикального изменения свойств стали и независимость результатов от степени сложности формы детали. При ХТО происходит диффузионное насыщение стали при высокой температуре соответствующим элементом (C, N, B, Cr и др.) или комплексом элементов.

Любой вид ХТО состоит из трех элементарных этапов: 1) образования в насыщающей среде активных атомов насыщающего элемента; 2) адсорбции, т. е. поглощения активных атомов поверхностью насыщаемого металла; 3) диффузии, т. е. проникновения активных атомов в насыщаемый металл.

ХТО возможна в случае, если насыщающий материал и насыщаемый элемент взаимодействуют, т. е. образуют твердые растворы или химические соединения. Для того чтобы судить о фазовом составе полученных диффузионных слоев, рассматривают при температуре ХТО изотермический разрез соответствующей диаграммы состояния сплавов (например, при науглероживании железа – диаграмму Fe - C). Скорость формирования диффузионного слоя зависит от природы насыщающего элемента и насыщаемого металла, температуры и продолжительности ХТО. Элементы, имеющие атомы значительно меньшего размера, чем насыщаемый металл, и образующие твердые растворы внедрения, диффундируют значительно быстрее, чем элементы, образующие твердые растворы замещения.

Применяются в промышленности и такие виды обработки поверхностных слоев стальных изделий, как науглероживание, азотирование, цианирование, борирование, диффузионная металлизация.

Науглероживание (цементация) – это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом при температурах 880...950 ^оС в углеродсодержащей среде (карбюризаторе) Выбор температур выше А_С3 обусловлен значительной растворимостью углерода в аустените. Иногда цементацию ведут при температурах до 1050 ^оС, что позволяет значительно ускорить диффузию углерода и процесс насыщения им поверхностного слоя детали. Цель цементации и последующей термической обработки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стали.

Цементации подвергают зубчатые колеса, распределительные валики, втулки, поршневые пальцы и другие детали из углеродистых или легированных сталей, содержащих до 0,3 % С. Такие стали называют цементуемыми. Науглероживание и термическая обработка детали обеспечивают получение ее твердого поверхностного слоя при вязкой сердцевине. Толщина науглероженного слоя обычно составляет 0,4.-..2 мм, содержание углерода в нем – 0,9...1,1 %.

В массовом производстве широко применяют газовую цементацию, преимущества которой в высокой производительности и возможности термообработки с цементационного нагрева. В качестве карбюризаторов используют метан, пропан-бутановые смеси, специальные эндогазы, жидкие углеводороды (керосин, синтин), образующие при температурах цементации газы, диссоциирующие с выделением атомарного углерода. Процесс ведут при 910...930 ^оС в течение 6...12 ч в шахтных печах или автоматизированных безмуфельных агрегатах непрерывного действия. Для получения науглероженного слоя стали толщиной около 1 мм при газовой цементации требуется 6...7 ч, а при цементации в твердом карбюризаторе (древесный уголь) – около 10 ч. Такая продолжительная выдержка вызывает укрупнение зерна аустенита. Исправить крупнозернистость поверхностного слоя детали и придать ему высокую твердость позволяют последующая термическая обработка, закалка и низкий отпуск. Первую закалку или нормализацию осуществляют с температур 900...920 ^оС. Она позволяет измельчить зерно сердцевины и уничтожить цементитную сетку в поверхностном слое детали. Вторая закалка с температур 750... 760 ^оС устраняет перегрев в поверхностной заэвтектоидной зоне науглероженного слоя и придает ей максимальную твердость. Низкий отпуск позволяет уменьшить внутренние напряжения в детали.

Рис. 9.2. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения. Х200

 

После медленного охлаждения детали (в равновесном состоянии) науглероженный слой имеет микроструктуру, представленную на рис. 9.2. Аустенит поверхностного слоя с содержанием углерода более 0,8 % превращается в перлит и цементит вторичный (заэвтектоидная зона), около 0,8 % – в перлит (эвтектоидная зона), а содержащий меньше 0,8 % – в феррит и перлит (переходная зона). За толщину науглероженного слоя принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны. Сталь после цементации, закалки и низкого отпуска в поверхностной зоне имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита отпуска с включениями остаточного аустенита (58...64 HRC). Если цементации подвергают наследственно-мелкозернистые стали, в которых зерно растет незначительно, применяют одинарную закалку при температурах, превышающих А_С1, ( 820...850 ^оС), и низкий отпуск. Для наследственно-мелкозернистых сталей типа 20ХГТ, 20ХГТЦ или неответственных деталей можно после газовой цементации применять закалку с подстуживанием до температур 840...860 ^оС и охлаждение в горячем масле (160...180 ^оС). Свойства некоторых цементуемых сталей после упрочнения приведены в табл. 9.3.

 

Таблица 9.3.

Свойства конструкционных сталей (ГОСТ 4543 – 71) после цементации, закалки и низкого отпуска

Марка стали	Изделия	Режим обработки	Толщина упрочненного слоя, мм	Твердость HRC
поверхностного слоя	сердцевины
12ХН3А   18Х2Н4ВА     18ХГТ	Зубчатые колеса дизелей, станков То же     Нагруженные зубчатые колеса автомобилей, станков	Цементация – 900 ^0С, закалка – 800 ^0С, отпуск – 170 ^0С Цементация – 900 ^0С, отпуск – 500 ^0С (двукратный), закалка – 830 ^0С (на воздухе), отпуск – 180 ^0С Газовая цементация – 930 ^0С, подстуживание и закалка – 830 ^0С, отпуск – 190 ^0С	0,8…1,1   0,8…1,1     0,2…0,25 модуля колеса	56…59     56…60	26…40   35…43

 

Азотирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом при температурах 500...650 ^оС в среде аммиака.

Азотирование широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например зубчатых колес, гильз цилиндров, штоков пароводяной арматуры, валов. Ему предшествует термическая обработка (улучшение). При температурах азотирования аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота (2NH₃ ® 3H₂ + 2N_ат), который диффундирует в сталь, образуя в ней твердые растворы и химические соединения (нитриды). Микроструктура азотированной углеродистой стали в равновесном состоянии достаточно хорошо определяется диаграммой состояния системы Fe – N.

В сталях, подвергаемых азотированию, – нитраллоях (38ХМЮА, 35ХМА, 30Х2В2НФА, 38ХНМФА, 38ХВФЮА, 3Х2ВФ и др.) легирующие элементы образуют стойкие и весьма твердые нитриды (VN, W₂N, AlN, СrN и др.). Если твердость углеродистой азотированной стали составляет около 2000 HV, легированной конструкционной – около 8000 HV, то нитраллоя – около 12000HV. Углеродистые и низколегированные стали азотируют для повышения их коррозионной стойкости, а высоколегированные – для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости. Азотированная сталь сохраняет высокую твердость, в отличие от цементованной, до сравнительно высоких температур (500...520 ^оС). Преимущество азотирования перед цементацией – меньшая температура проведения процесса и меньшие деформации, недостатки – весьма большая (до 90 ч) продолжительность процесса и малая толщина получаемого диффузионного слоя (не более 0,8 мм).

Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом и углеродом. Наибольшее распространение получило одновременное насыщение азотом и углеродом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака, при температурах 820...860 ^оС (нитроцементация). Продолжительность процесса составляет 4...10 ч, оптимальное содержание азота в слое – около 0,15 %, углерода – 1,4 %. После нитроцементации детали (зубчатые колеса, втулки, валы и др.) подвергают термической обработке: закалке непосредственно из печи и низкому отпуску. Нитроцементованный слой имеет структуру мелкокристаллического мартенсита с небольшим содержанием карбонитридов и около 25 % остаточного аустенита. Его окончательная твердость – 58...60 HRC. Нитроцементацию, как правило, ведут в автоматизированных безмуфельных агрегатах. При проведении этого процесса изделия испытывают меньшие деформации, чем при цементации, повышается их износо- и коррозионная стойкость.

Для жидкостного цианирования можно использовать такой состав: NaCl – 32 %, CaCl₂ – 65 %, K₄Fe(CN)₆ – 3 %. Температура процесса – 840...860 ^оС, продолжительность – 0,5...3 ч, толщина получаемого цианированного слоя – 0,05...0,5 мм. Термическая обработка – закалка из ванны и низкий отпуск, твердость поверхностного слоя – 57...64 HRC. Цианирование эффективно для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей. Однако, поскольку насыщение углеродом и азотом в жидких средах связано в большинстве случаев с использованием токсичных цианистых солей, этот процесс не нашел широкого распространения.

 

Рис. 9.3. Микроструктура борированного слоя. Х200

Борирование – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950 ^оС в течение 2...6 ч. Для борирования используют карбид бора (В₄С) и буру (Na₂B₄O₇), ферробор, аморфный бор, диборан (В₂Н₆) и другие борсодержащие вещества. Цель борирования – повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стали. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fe₂B (рис. 9.3), обладает весьма высокой твердостью (до HV = 21000 МПа), стойкостью к абразивному изнашиванию, коррозионной стойкостью. Поэтому борирование эффективно применяется для повышения стойкости бурильного и штампового инструмента.

 

Рис. 9.4. Микроструктура хромированного слоя. Х200

 

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий металлами (хромом, цинком, алюминием и др.). Насыщение разными металлами преследует различные цели. Так, цинкование позволяет в десятки раз повысить коррозионную стойкость труб и листового железа, алюминирование (алитирование) – жаростойкость и коррозионную стойкость стали, хромирование углеродистых сталей – их износо-, жаро- и коррозионную стойкость. После хромирования получается слой карбидов (Cr, Fe)₂₃C₆ и (Cr, Fe)₇C₃ (рис. 9.4) толщиной до 0,03 мм с весьма высокой твердостью (до НV = 20000 МПа). Оно весьма эффективно для обработки быстроизнашивающихся деталей, работающих в агрессивных средах.

В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

При выборе способа и технологии поверхностного упрочнения стальных изделий необходимо учитывать не только условия, вкоторых они работают, возможные изменения их размеров, физико-механические свойства металла, но и характер производства деталей (единичный, массовый), производительность способа упрочнения, его рентабельность, возможность автоматизации и роботизации и ряд других важных для производства вопросов.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изготовить микрошлиф, изучить и зарисовать микроструктуру, определить толщину науглероженного слоя.

2. Изучить микроструктуру термообработанных образцов, измерить их твердость (HRC).

3. Изготовить микрошлифы, изучить и зарисовать микроструктуру упрочненных слоев, определить их толщину. Построить график зависимости толщины упрочненного слоя от продолжительности нагрева.

4. Измерить и сравнить твердость стали после различных видов упрочнения.

5. Сделать выводы и составить отчет в соответствии с заданием.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие стали называются легированными?

2. Маркировка легированных сталей.

3. Классификация легированных конструкционных сталей.

4. Основные требования, предъявляемые к конструкционным сталям (комплекс свойств).

5. Способы объемного упрочнения конструкционных сталей.

6. Назначение способов объемного упрочнения сталей. Стали, подвергаемые объемному упрочнению. Структура и свойства сталей после объемного упрочнения.

7. Способы поверхностного упрочнения конструкционных сталей.

8. Назначение способов поверхностного упрочнения сталей. Стали, подвергаемые поверхностному упрочнению. Структура и свойства сталей после поверхностного упрочнения.

 

Содержание отчета

 

1. Тема и цель работы.

2. Краткие ответы на контрольные вопросы.

3. Результаты микроструктурного анализа сталей, выполненного в соответствии с заданиями.

4. Выводы.

 

Лабораторная работа № 10

 

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Цель работы: изучение структуры, свойств, способов термической обработки инструментальных сталей и области их применения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей (например, сталь 45).

Номенклатура инструментальных сталей весьма разнообразна. Поэтому для правильного выбора марки стали и режима термической обработки важно знать условия работы инструмента, требования, предъявляемые к нему.

Для уменьшения скорости изнашивания режущего, измерительного и штампового инструмента необходимо, чтобы используемые для его изготовления стали обладали достаточной износостойкостью, обеспечивающей длительное сохранение неизменными размеров и формы рабочей части,

Износостойкость стали определяется ее твердостью (увеличивается с ее ростом) и микроструктурой. При твердости, равной 60...65 HRC наиболее износостойка сталь, состоящая из мартенсита и равномерно расположенных в нем карбидов ванадия, вольфрама, хрома и других элементов.

В процессе резания с повышенными скоростями или при горячем деформировании рабочая часть инструмента нагревается. Чтобы инструмент не терял при этом работоспособность, не должны меняться его структура и свойства, полученные в результате термической обработки.

Способность стали сохранять структуру и эксплуатационные свойства при повышенных температурах называется теплостойкостью. Это технологическое свойство стали, определяют по максимальной температуре, при нагреве до которой она сохраняет в течение определенного времени (обычно в течение 4 ч) эксплуатационную твердость. Теплостойкость стали достигается легированием ее вольфрамом, молибденом, ванадием.

Для обеспечения процесса резания инструмент должен обладать высокими прочностью и твердостью. Поэтому инструментальные стали содержат не менее 0,6 % С и подвергаются закалке с низким отпуском на необходимую твердость (исключение составляют стали, применяемые для изготовления штампов горячего деформирования и содержащие 0,3...0,6 % С). В результате термической обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC, и предел прочности ее при изгибе s_и = 2500...3500 МПа.

Важной характеристикой стали является прокаливаемость, которая может быть повышена за счет легирования ее хромом и марганцем. В этом случае увеличивается интервал устойчивости переохлажденного аустенита стали и снижается V_кр. Стали, легированные хромом и марганцем, можно использовать для изготовления крупного инструмента Тонкий и сложный по форме инструмент, изготовленный из таких сталей, можно закаливать в менее интенсивных, чем вода, охлаждающих средах.

Инструментальные стали легируют карбидообразующими элементами: V, W, Mo, Cr. Последние не только повышают износостойкость и теплостойкость стали, но и, растворяясь в аустените, уменьшают растворимость углерода в нем. Иначе говоря, они сдвигают линию ES диаграммы состояния системы Fe – Fe₃C (см. рис. 4.4, а). Особенно сильно влияют на положение линии ES вольфрам и хром. Например, углеродистая сталь с 0,7 % С по структуре в отожженном состоянии (П + Ф) является доэвтектоидной; сталь с 0,7 % С и 5 % W – заэвтектоидной. Сталь с 12 % W относят к ледебуритному классу, так как в процессе ее кристаллизации при эвтектической температуре образуется ледебурит. Ледебурит в сталях принято называть карбидной эвтектикой.