Термообработка стальных деталей на судах

Вопросы для контроля знаний при самостоятельной работе

1. Дайте определение: легирования, сплава, компонента, примеси, основ­ного и легирующего элемента сплава

2. Приведите классификацию фаз в сплавах

3. Перечислите основные линии, встречающиеся в диаграммах состояния

4. Изобразите «стальной угол» диаграммы состояния «железо-цементит»

5. Перечислите основные критические точки на диаграмме состояния «железо-цементит», укажите их численные значения

6. Приведите формулу аустенитно-перлитного превращения при охлаждении

7. Дайте определение стали, чугуна, феррита, аустенита, цементита

Несмотря на отсутствие специализированного оборудования на судах все же возможно проведение ряда термических операций, направленных на изменение свойств деталей в соответствии с условиями эксплуатации.

Термическая обработка самого распространенного на судах материала -стали, как правило, является комплексной и состоит из 2-х операций: закалки и последующего отпуска.

Сущность закалки состоит в повышении плотности дефектов кристал­лического строения, приводящей к упрочнению - повышению твердости, прочности и других аналогичных свойств. Для достижения необходимого ре­зультата особое внимание необходимо уделить выбору следующих элемен­тов режима термообработки:

• температуры нагрева под закалку t_зак;

• охлаждающей среды (скорости охлаждения v_охл).

Рассмотрим этот выбор на примере конструкционных углеродистых ста­лей (С 0,7 %). В исходном состоянии они являются двухфазным материа­лом, содержащим, в зависимости от марки:

• 98,8...89,5 % феррита - малопрочной, пластичной фазы, практически не содержащей углерод;

• 1,2... 10,5 % цементита - прочной, очень хрупкой фазы, в состав ко­торой входит практически весь углерод, находящийся в стали.

Вполне очевидно, что упрочнение материала в целом должно происхо­дить путем замены феррита на более прочную фазу. Для этого необходимо:

• нагреть деталь до температуры выше критической А₃, когда Ф ис­чезнет и превратится в аустенит - при этом за счет растворения це­ментита весь углерод окажется в аустените;

• охладить деталь со скоростью выше критической, обеспечивающей подавление диффузионных процессов и сохранение расположения атомов С, характерного для высоких температур.

При такой последовательности действий образуется мартенсит - пере­сыщенный твердый раствор углерода в искаженной ОЦК-решетке железа (она имеет свое особое название - тетрагональная). Так, в закаленной на мар­тенсит стали 45 (0,45 % С) теоретическая степень пресыщения равна 75 - во столько раз возросла плотность образованных атомами углерода точечных дефектов, чем было до закалки в феррите. Практически результатом закалки является повышение прочности и снижение пластичности.

Численное значение критической точки А зависит от содержания в стали углерода. Поэтому на практике температура нагрева под закалку конструк­ционных углеродистых сталей, с учетом строения диаграммы состояния "же­лезо-цементит", может быть вычислена по формуле:

t_зак=911-220С + 30...50°С

где С — определяемое по марке стали содержание в ней углерода, %.

При использовании легированных сталей температура нагрева под закал­ку на 60...80 °С выше определенных по приведенным формулам. Для ее точного нахождения необходимо обращаться к справочной литературе.

Контроль температуры нагрева на судах с наибольшей точностью осуще­ствляют с помощью термопар, оптических или радиационных пирометров.

Однако даже их отсутствие особых трудностей не вызывает. При закалке ви­зуально анализируется тепловое излучение стальной детали (свечение - цве­та "каления"). При отпуске определяют цвета "побежалости" - цвет оксидной пленки железа, образующийся на поверхности и отвечающей вполне опреде­ленной температуре (табл. 2.16).

В интервале 330.,. 530 °С температура может быть определена с помощью простейших подручных средств. Так, при контакте с нагретой поверхностью в течение 2... 3 с сухая сосновая лучина сечением ~ 30 мм при 450 °С буреет, а при 490... 500 °С - вспыхивает.

В последнее время на суда стали поступать специальные наборы термо­реактивных красок, изменяющих свой цвет в зависимости от температуры поверхности, на которую они были нанесены.

Таблица 2.16- Соответствие цветов побежалости и каления температуре поверхности стальных деталей

Цвета побежалости	t,°C	Цвета каления	t,°C
Светло-желтый		Темно-коричневый	530..580
Соломенно-желтый		Коричнево-красный	580... 650
Коричнево-желтый		Темно-красный	650... 730
Красно-коричневый		Темно-вишневый	730... 770
Пурпурно-красный		Вишнево-красный	770... 800
Фиолетовый		Светло-вишнево-красный	800... 830
Васильково-синий		Светло-красный	830... 900
Светло-синий		Оранжевый	900... 1050
Серый		Темно-желтый	1050...1150

Критическая скорость при закалке углеродистых сталей достигается пу­тем охлаждения в воде, имеющей температуру около 20 °С. Для закалки ле­гированных сталей используют, как правило, минеральные масла. Скорость охлаждения в них деталей оказывается в ~ 3...4 раза нюке, однако из-за меньшей подвижности атомов углерода, вызванной легированием (повышен­ное количество точечных дефектов), вполне достаточной для образования мартенсита.

Сущность отпуска - понижение плотности дефектов кристаллического строения в закаленном материале с целью повышения характеристик пла­стичности: ударной вязкости, относительного удлинения и сужения. В ре­зультате нагрева повышается диффузионная подвижность атомов углерода, позволяющая им вернуться в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией.

Выбор температуры отпуска, как указывалось выше, производят с учетом условий работы деталей и характера изменения свойств предварительно за­каленной стали в зависимости от температуры ее нагрева (рис. 2.34). В целом с повышением температуры отпуска происходит постепенное снижение прочностных характеристик и повышение пластичности материала. Поэтому, учитывая доминирующие эксплуатационные факторы, температуру и вид от­пуска определяют как компромиссное решение.

Низкий отпуск (150...220 °С) используют для деталей, от рабочих по­верхностей которых требуются высокая прочность, твердость, износостой­кость, кавитационная стойкость: плунжеры и втулки топливных насосов вы­сокого давления, кулачковые шайбы, элементы подшипников качения, шаберы, зубила и т.п. Образующийся мартенсит от­пуска по этим показателям практически не уступает зака­ленному материалу. В то же время заметно возрастает пла­стичность, особенно ударная вязкость.

Средний отпуск (350...500 °С, микроструктура - троостит отпуска³³) применяется для уп­ругих элементов: пружин, рес­сор, мембран и других деталей, от которых требуется высокое значение предела упругости (пропорциональ­ности).

Высокий отпуск при температуре 500...650 °С приводит к образованию сорбита отпуска, обладающего оптимальным сочетанием прочностных и пла­стических свойств. Сочетание закалки и высокого отпуска называется улуч­шением. Оно применяется при термообработке деталей, работающих в усло­виях значительных динамических нагрузок: поршневые пальцы, шестерни, анкерные связи и др.

Кроме перечисленных выше закалки и разновидностей отпуска, на судах довольно часто проводят отжиг стальных труб при ремонте трубопроводов. Газовой горелкой трубу нагревают до температуры 780...850 °С, что приво­дит к значительному повышению пластичности материала и в дальнейшем облегчает их гибку в имеющихся на судах трубогибах.