Способы закалки

Основные способы закалки:

1. Закалка в одном охладителе. Этот способ, заключающийся в том, что нагретую до заданной температуры закалки деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Применяется при закалке простых деталей из углеродистых и легированных сталей. Углеродистые стали > Ж5 мм - вода. Углеродистые стали Ж 5 мм и легированные стали - масло веретенное.

2. Прерывистая закалка (в 2^х средах). При этом деталь сначала охлаждают в быстро охлаждающей среде, а затем медленно охлаждают - вода-масло, вода-воздух. Этот способ применяется при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА СТАЛИ.

Поверхностная закалка представляет собой местную закалку, при которой на некоторую глубину закаливается только поверхностный слой, оставляя незакаленной сердцевину изделия. Поверхностная закалка производится нагревом поверхностного слоя стали до температуры выше критичес­кой точки А₃ и последующего охлаждения со скоростью выше критической для получения мартенситной структуры. Поверхностная закалка повышает износостойкость и твердость поверхностного слоя.

ЗАКАЛКА ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ.

Индукционный нагрев впервые предложен в 1955 году профессором Вологдиным для упрочнения деталей автомобилей. Большие исследования проведены советской группой ученых металловедов.

При нагреве детали токами высокой частоты магнитный поток, создаваемый переменным током, проходящий по проводнику, называемому индуктором, наводит (индуцирует) в металле детали, помещенной внутри индуктора вихревые токи, располагающиеся по поверхности детали и нагревающего ее.

Индуктор представляет собой один или несколько витков медной трубки. Чем больше частота тока, тем меньше глубина нагретого слоя. Для получения слоя 1,0 мм оптимальная частота 50000-6000 герц 2-1,5 от 40 до 4000 герц.

Общее время нагрева 1,5-10 секунд, а удельная мощность от 1,5-2,0 до 0,2-0,4 квт/см² (обычно 1,5 квт/см²). Толщина упрочненного слоя определяется условиями работы детали.

В условиях смятия продавливающих нагрузок и возможной перешлифовки 4-5 мм. В случае больших контактных нагрузок толщина слоя достигает 10-15 мм и выше. Высококачественные генераторы в зависимости от частоты разделяются на 2 типа – ламповые до 100000 герц, мощность 5-220 квт, и машинные 1000-1000 герц, мощность 60-1000 квт. Закалку при нагреве ТВЧ производят на специальных установках, называемых закалочными станками.

Скорость нагрева при закалке ТВЧ значительно выше, чем при печном нагреве и поэтому температура превращения сдвигается в область более высоких температур(900–1100°С). Существуют 2 основных способа закалки: непрерывно – последовательный и одновременный Способы закалки при непрерывно – последовательном способе, который рекомендуется применять для поверхностного упрочнения длинномерных деталей типа валов, плит. Закалочный инструмент – индуктор – спрендер перемещается вдоль детали со скоростью 0,5-3см/мин. Деталь устанавливается в зажимы или центры закалочного станка. При закалке непрерывно – последовательным способом деталей типа валов для получения качественной поверхности и избежания отпущенной полосы, рекомендуется вращать детали со скоростью 60-80 об/мин. Ширина индуктора 0,5-0,8 см. Для деталей большого диаметра и малой высоты типа втулок, шестерен звездочек применяется одновременный нагрев и охлаждения упрочняемой поверхности. В этом случае индуктор выполняется из медной ленты.

Для получения качественного слоя между индуктором и деталью должен быть зазор 4-5 мм. Технология т.о. состоит из предварительной термической обработки – улучшения, затем следует механическая обработка, - закалке ТВЧ и низкий отпуск (160–200°С) 2-3 часа. Наиболее применяемые стали: 45 и 40Х.

Основные детали – шестерни, звездочки, валы, втулки, храповики. Поверхностная закалка значительно повышает предел выносливости. Это объясняется появлением в закаленном слое сжимающих напряжений 50-60 кт/мм, т.к. при воздействии переменной нагрузке трещины усталости образуются над влиянием растягивающих напряжений на поверхности деталей, то сжимающие напряжения повышают предел выносливости. К преимуществам процесса относится сокращение цикла термической обработки, возможность механизировать процесс. Недостатком процесса является сложность контролирования температуры закалки и высокая стоимость установки, ограничивающая их применение в единичном производстве. Процесс широко применяется на заводах.

Закалка газовым пламенем. Этот способ широко применяется для закалки крупногабаритных деталей. Поверхность деталей нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400–3150°С).

В качестве горючего применяется ацетилен, керосин. Нагрев осуществляется газовым пламенем. Недостаток – отсутствие механизации. Возможен брак из-за перегрева поверхности.

ХИМИКО – ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ.

Теория химико – термической обработки. При химико – термической обработке деталь помещают в среду богатую элементом, который диффундирует в металл. При обработке в газовой среде происходит 3 элементарных процесса:

1. Диссоциация – распад молекул газа и образование активных атомов диффундирующего элемента.

Например,

При этом образуются активные атомы углерода и азота диффундирующие в металле. Степень распада молекул называется степенью диссоциации.

2. Абсорбция – происходит на границе газ – металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью металла свободных атомов.

3. Диффузия – проникновение вглубь металла насыщающего элемента. В результате образуется насыщенный слой. Концентрация насыщающего элемента максимальна у поверхности и снижается к сердцевине.

Толщина слоя определяется глубиной проникновения насыщающих атомов. Основной величиной, определяющей скорость, диффузии является коэффициент диффузии - , под которым понимают количество вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени при перепаде концентрации равном единице. Чем больше значение , тем быстрее протекает процесс диффузии.

Скорость гетеродиффузии, т.е. диффузия насыщающего элемента в металл неодинакова и зависит от типа соединения, которые он образует с железом. Так как углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, то диффузия при цементации и азотировании протекает легче, чем при насыщении металлами и кремнием. Толщина диффузионного слоя зависит от времени процесса и степени диссоциации и тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла.

Повышение температуры увеличивает скорость диффузии и поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося в заданный отрезок времени возрастает с увеличением температуры процесса.

ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ.

Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают 2 основных вида цементации: газовую и твердую.

При твердой цементации детали упаковываются в ящик, наполненный карбюризатором – науглераживающим веществом (древесный уголь). При нагреве до температуры цементации (90–950°С) происходит образование окиси углерода, которая разлагается по реакции

,

с образованием атомарного углерода. Атомарный углерод поглощается поверхностью металла.

Недостаток твердой цементации – длительность процесса. Увеличение скорости процесса достигается цементацией в газовой среде (метан, этан, пропан). Также применяется цементация бензином, который в виде капель подается в рабочую камеру.

В результате распада газовых соединений также образуется атомарный углерод. Структура цементированного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации состоит из 3 зон. Поверхностная зона (0,8–0,9 % С) имеет перлито – цементитную структуру (заэвтеитоидная зона). Ниже расположена зона с содержанием углерода около 0,8 % С (эвтеитоидная зона) и еще ниже – доэвтеитоидная , переходящая в структуру сердцевины. Содержание в поверхностном слое не должно превышать 1,1–1,2 % С. После закалки на поверхности образуется высокоуглеродистый цемент, а в сердцевине остается низкая твердость и высокая вязкость. Закаленные детали подвергают низкому отпуску для снятия напряжения. Твердость поверхностного слоя HRC 48–52, сердцевины – 28–35 HRC.

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ.

Азотирование – процесс насыщения поверхности стали азотом. Поскольку азотированный слой имеет высокую твердость, а размеры деталей изменяются незначительно, то азотирование является окончательной термической обработкой и проводится на деталях, прошедших предварительную термическую обработку (закалка и высокий отпуск) и механическую обработку. Температура 500–600° C. В герметически закрытую камеру помещают детали. В камеру подается аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции

Атомарный азот диффундирует в металл. Азотированию подвергают обычно легированные стали, но легирующие элементы не оказывают существенного влияния на кинетику образования азотированного слоя. Как и в чистом железе, так и в легированных сталях происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев. Одновременно происходит образование нитридов специальных элементов, образующих в поверхностной зоне эпсилон и гамма фазы. Поэтому после медленного охлаждения фазы располагаются в следующем порядке: на поверхности слой фазы, затем слой игольчатых нитридов, ниже слой нитридов, выделяющихся по границам зерен.

Высокая твердость азотированного слоя стали 38ХМЮА обуславливается получением очень дисперсных нитридов. Стали, содержащие элементы, способные образовать нитриды – Cu, Mo, Al называются нитраллом. Наибольшее применение сталь 38ХМЮА.

Технологический процесс азотирования состоит из ряда последовательных операций:

1. Предварительная механическая обработка.

2.Предварительная термическая обработка – улучшение для получения прочности и вязкости сердцевины.

3. Механическая обработка (окончательная)

4. Защита участков, не подлежащих азотированию лужением.

5. Азотирование.

6. Окончательное шлифование или доводка деталей.

Глубина слоя 0,5 – 0,6 мм, температура 500–520° C, время 24-90 часов. Для ускорения процесса азотирования применяют 2-х ступенчатый процесс:

I. 500–520° C.

II. 540–600° C - охлаждение с печью в потоке аммиака.

Азотирование повышает твердость, теплостойкость, коррозионную стойкость и предел выносливости.

ЦИАНИРОВАНИЕ.

Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхности углеродом и азотом. Ведение процесса в расплавленных солях (жидких ваннах) обеспечивает большую производительность процесса. В процессе цианирования сталь одновременно насыщается углеродом и азотом. Цианирование проводится в расплавленных солях, представляющих собой смесь солей (40% NaCN, 40% RCM), температура – 900–950° C.

Глубина слоя зависит от длительности выдержки. Микроструктура состоит из тонкой корочки (светлой) карбонитридов, затем располагается слой азотистого мартеноита.

Цианированный слой по сравнению с цементованным имеет большую коррозионную стойкость, износостойкость, прочность и твердость. После цианирования производится закалка с низким отпуском. Недостаток – ядовитость солей.

Нитроцементация. Обработка в газовой смеси, состоящей из науглераживающего газа и аммиака при температуре 850–870° C. Длительность процесса 2–10 ч. слой 0,25–1,0 мм. Для нитроцементации применяют также жидкий карбюризатор – триэтаноламин, который в виде капель вводят в рабочее пространство шахтной печи. После нитроцементации производится закалка и низкий отпуск. Нитроцементация имеет ряд преимуществ перед цианированием: отсутствуют ядовитые соли, большая производительность процесса, возможность обработки крупных деталей, применение механизации.

Широко применяется в последние годы низкотемпературная нитроцементация 580–600° C 6-10 ч. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости сталей.

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ.

Поверхностное насыщение стали металлами (Al, Cr, Si и др.) называется диффузионной металлизацией. Она повышает жаростойкость, коррозионную стойкость, износостойкость, твёрдость.

Алитирование – насыщение алюминием. Насыщение производится в порошкообразных смесях. Детали упаковываются в ящик, заполненный рабочей смесью, в состав которой входит Al (25-50%), окись алюминия (25-75%) и хлористый аммоний (1%). Температура – 900-1050? С, время – 3-12 часов. Может быть применено жидкостное алитирование. Детали погружаются в ванну с расплавленным алюминием, содержащим 6-8 % железа. Температура процесса – 700-800 ование. Детали погружаются в ванну с расплавленным алюм___$Т__ЉТ__ЊТ__ЪТ__кАлитирование повышает окалиностойкость, т.к. создается плотная пленка окислов Al и сопротивление коррозии. Алитированию подвергаются детали, работающие при высоких температурах – клапаны, чехлы термопар, поддоны для термообработки деталей.

Борирование – насыщение поверхностного слоя бором. Обуславливает высокую износостойкость, устойчивость против коррозии. Борирование может осуществляться в порошкообразных смесях, в жидкой среде в ваннах и при электролизе расплавленных солей бора. Изделие служит катодом в ванной с расплавленной бурой. Температура – 930-950? С, время – 2 часа. Без электролиза процесс ведется в расплавленных солях 20 % порошкообразного ферробора или 10 % карбида бора.

Газовое борирование производится в среде хлористого бария в смеси с водоо_зовое борирование производится в среде хлористого бария в смеси с вод_Ё___ааb_0ЄC_Oп__°Ьb_5 Силицирование – насыщение поверхности кремнием. Повышает коррозионную стойкость, износостойкость. Проводится в порошкообразных смесях или в газовой среде. Температура – 950-1000 фп___Т__$Т__ЉТ__ЊТ__ЪТ_– твердый раствор кремния в железе. Глубина – 0,3-1,0 мм. HB 200-300.. 200-30_сть, износостойкость. Проводится в порошкообразных смесях или в газовой среде. Температура – 950-1000 фп___Т__$Т__ Хромирование – насыщение хромом. Повышает окалиностойкость, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Хромирование ведется в порошкообразных смесях (твердое хромирование). Хромированный слой состоит из карбидов хлора. Под слоем карбидов расположен переходный слой с высоким содержанием (0,8) углерода. Твердость после хромирования HB 1200-1300 (стали), – 0,15-0,2 мм.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ.

Легированными называются стали, в которые специально вводятся легирующие элементы (Cr, Ni, Co, Al, Mo, W) для получения определенного комплекса свойств.

Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Все элементы, растворяющиеся в железе, влияют на полиморфизм железа, т.е. сдвигают точки A_C3 и A_C1 по температурной шкале. Большинство элементов повышают A_C3 и снижают A_C1, т.е. расширяют гамма область. Свыше определенного количества легирующих элементов образуются аустенитные сплавы, имеющие структуру аустенита при комнатной температуре. Введение W, Mo, Si и других элементов расширяет область и способствует образованию ферритных сплавов, имеющих при комнатной температуре структуру феррита.

Некоторые легирующие элементы – Ti, W, V образуют легирующие карбиды.

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

Легированные стали могут быть классифицированы по 4 признакам:

1. по равновесной структуре;

2. по структуре после охлаждения на воздухе;

3. по составу;

4. по назначению.

Легирующие элементы сдвигают точки S и E в сторону меньшего содержания углерода по сравнению с углеродистыми. Так, например, сталь С 5% является заэвтектоидной при 0,6 % С и ледебуритной при 1,5 % С.

Ферритные стали могут быть получены при высоком содержании элементов сужающих гамма область (хром).

Аустенитные – расширяющие (никель).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяются на: 1. перлитные 2. мартенситные 3. аустенитные и стали переходимости.

Получение различных классов обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов, устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается, что и отражено на диаграммах. Возможны переходные классы.

Для сталей перлитного класса кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будет получаться структура –перлит, сорбит, тростит (40Х, 38ХМЮА), у сталей мартенситного класса (2Х13, 3Х13) область перлитного распада сдвинута вправо. Поэтому охлаждение на воздухе не приводит к перлитному превращению и аустенит баз распада охлаждается до температур мартенситного превращения, где и происходит превращение аустенита в мартенсит. Часть элементов сдвигает вправо область перлитного распада и снижает мартенситную точку в область отрицательных температур. Сталь, охлажденная на воздухе, будет иметь аустенитную структуру (Х18Н10Т).

В зависимости от состава, стали различаются на никелевые, хромистые, хромо– никелевые и другие по наличию легирующих элементов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЗНАЧЕНИЮ.

1. Конструкционные стали – детали машин, узлы конструкций.

2. Инструментальные стали – (инструмент режущий, мерительный, штамповой).

3. Стали и сплавы с особыми свойствами – нержавеющие, жаропрочные, теплостойкие, износостойкие, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами.

МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

Легированные конструкционные стали маркируют словом Сталь, затем ставят первые 2 цифры, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента и буквы, обозначающие легирующие элементы, например, Cr –X, Ni –H, Mn – Г и т.д. Цифры у букв обозначают среднее содержание легирующих элементов в процентах, если содержание легирующих элементов около 1%, то цифры не ставятся.

В инструментальных сталях, содержащих углерод более 1%, первые цифры опускают. Например, (Х12Н)

Нестандартные стали обозначаются – ЭИ – Электросталь, И – исследовательская, П – пробная. Например, ЭИ 72, ЭП 286.

ІАІ на конце марки обозначают, что сталь содержит серы и фосфора не более 0,0015% каждого элемента.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ.

Материал, идущий на изготовление деталей должен обладать комплексом высоких механических свойств – прочности, пластичности, вязкости. Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках – также сопротивление усталости. Простые углеродистые стали имеют достаточно высокий комплекс механических свойств в сечениях до 20–25 мм. При изготовлении деталей диаметром более 20–25 мм. углеродистые стали не удовлетворяют всем требованиям и необходимо применение легированных сталей. Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость. Стабильные механические свойства получаются при сквозной прокаливаемости. Термическое улучшение обеспечивает получение оптимального комплекса свойств и понижение температурного порога хладноломкости. Никель снижает температурный порог хладноломкости, углерод, марганец – повышают. Режим термической обработки конструкционных сталей определяется содержанием углерода.

Низколегированные стали также как и углеродистые, вследствие низкой устойчивости аустенита должны закаливаться в воде. Увеличение содержания легирующих элементов приводит к повышению устойчивости аустенита и становится возможной закалка в масле. При закалке легированных сталей необходимо быстрое охлаждение в интервале 300–400° С, чтобы избежать перлитного превращения. Термическая обработка состоит, как указывалось выше из 2-х этапов: закалки и отпуска. В низкоуглеродистых легированных сталях мартенсит достаточно пластичен и закалка обеспечивает высокий комплекс механических свойств.

Структура сталей состоит из отпущенного мартенсита. Для среднеуглеродистых сталей необходим отпуск – 500-600° С. При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием высокодисперсной зернистой структуры сорбита отпуска.

КОНСТРУКЦИОННО ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ.

Для цементации применяются низкоуглеродистые (0,1–0,25 % С) стали. Для получения после цементации и закалки высокой твердости поверхностного слоя и мягкой сердцевины. В углеродистых сталях сердцевина почти не упрочняется термической обработкой, а в легированных упрочнение после закалки и низкого отпуска будет тем больше, чем больше углерода и легирующих элементов в стали. По этому признаку различают 3 группы: углеродистые стали с почти не упрочняемой сердцевиной, низколегированные со слабо упрочняемой сердцевиной, высоколегированные со значительно упрочняемой сердцевиной.

1 группа – Сталь 20, Ст 3.

2 группа – Ст 20Х, 30Х, 15Х.

3 группа – 20 ХГТ, 18ХНВА, 12Х2Н4А

Технологический процесс состоит из цементации с последующей закалкой с низким отпуском. Из сталей 1 группы изготавливают детали, от которых требуется высокая износоустойчивость поверхности, и не предъявляются высокие требования к прочности сердцевины (колонки штампов, втулки). Из сталей 2 и 3 группы изготавливают ответственные детали, работающие в условиях динамических нагрузок (пальцы, шестерни). Для изделий сложной конфигурации, для которых не желательна деформация при закалке, применяются легированные, закаливаемые в масле стали (шестерни, неподвижные другие детали).

УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ.

Улучшаемые сорта стали содержат 0,3-0,4 % С и различное количество легирующих элементов – хрома, никеля, вольфрама и др. в сумме не более 3-5% и около 1% титана, ванадия. Типовая термическая обработка закалка в масле и высокий отпуск.

Повышение легирующих элементов увеличивает прокаливаемость сталей. Чем больше сечение деталей, тем более легированную сталь нужно применять. Для крупных деталей, во избежание проявления отпускной хрупкости, необходимо применять стали, легированные Мо. Сложные детали, испытывающие ударные нагрузки рекомендуется изготавливать из сталей, легированных Ni. Улучшаемые сорта условно можно разделить на 5 групп:

1-ю группу составляют простые углеродистые стали. Они применяются в нормализованном состоянии без термической обработки или после закалки и высокого отжига (улучшение).

2-ю группу составляют стали, легированные хромом. 40Х, 40ХР. Хром дешевый легирующий элемент, обеспечивающий получение высоких механических свойств и прокаливаемости до 100 мм. (валки, оси, шестерни).

3 группа 30ХМ, 40ХГ, 40ХГР, 40ХГМ, 30ХТ. Все элементы хром, марганец кремний увеличивают пркаливаемость, снижая запас вязкости. Лучшая по прокаливаемости и вязкости сталь 30ХМ. У этой стали наиболее низкий в группе интервал хладноломкости и отсутствие чувствительности к отпускной хрупкости.

4 группа 40ХНМ, 40ХНР, 40ХГНР. В четвертую группу входят стали, содержащие никель (1-1,5 %.) Никель углубляет прокаливаемость и снижает температурный порог хладноломкости. Стали четвертой группы рекомендуется применять для деталей диаметром до 40-70 мм. Добавка бора и марганца, увеличивая прокаливаемость, снижает вязкость сталей. Наилучшей по прокаливаемости и вязкости в этой группе являются стали 40ХН3М. Повышенные свойства этой стали являются следствием комплексного легирования (Cr + Ni +Mn) и с наиболее высоким содержанием никеля.

5 группа. Для деталей сечением более 70 мм. необходимо для получения сквозной прокаливаемости применять стали, содержащие 2-3 % никеля – 30ХН3, 30ХН2ВФ, 38ХН3МФ. Для изделий крупных размеров рекомендуется применение сталей, легированных хромом, никелем, молибденом. Необходимый минимум легированности определяется необходимой прокаливаемостью, т.е. диаметром термической обработки детали, обрабатывающейся насквозь. Легированные конструкционные среднеуглеродистые стали имеют после отжига одинаковую структуру, состоящую из феррита и перлита, после улучшения – сорбит.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ.

К ним относятся стали, имеющие 180-200 кг/мм² и более. Высокая прочность достигается подбором материала и режима термической обработки. Большое применение нашли среднеуглеродистые стали термической обработки закалка и низкий отжиг со структурой отпущенного мартенсита. Повышение прчности достигается увеличением углерода, прокаливаемости – введением легирующих элементов. Высокую конструктивную прочность изделия можно получить, когда оно изготовлено из материала, обладающего высоким запасом прочности, пластичности и вязкости. Только в таких материалах возможна разрядка локальных напряжений и исключается возможность хрупкого разрушения. Этим требованиям отвечают безуглеродистые ( 0,03 % С) мартенситостареющие стали, упрочнение которых достигается старением мартенсита. Это сплавы железо – никеля (10-25 %) дополнительно легированные титаном, алюминием, вольфрамом, кремнием. Сталь закаливают с температуры 800-850° С на воздухе. Безуглеродистый мартенсит, получающийся при закалке, пластичен и мало упрочняется при деформации. В закаленном состоянии сталь хорошо обрабатывается давлением, режется и сваривается. Старение при 450-500° С повышает прочность до 180-200 кг/мм², снижает пластичность до 8-12, вязкость до 4-6 кгм/см². Упрочнение при старении связано с выделением интерметаллидов типа Ni₃Ti, NiTi. Сталь теплоустойчива до 500-700° С.

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ.

19Г, 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД, 35ХС, 26Г2С (для металлических конструкций).Для железо–бетонных конструкций низкоуглеродистые и низколегированные стали содержат повышенное количество марганца и кремния (0,6-1,2 %), а также хром (0,5-0,9 %). Эти стали в горячекатанном состоянии или после термической обработки применяют для сварных и клепаных конструкций в судостроении, газопроводах и нефтепроводах. 14Г2 – крупные листовые сварные конструкции доменных печей воздухонагревателей. 14ГС – электросварные трубы магистральных газопроводов, 17ГС – корпуса аппаратов, 15ХСНД – сварные строительные фермы, конструкции мостов – 35ХС, 25Г2С – арматура и арматурные железо–бетонные конструкции.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ОТЛИВОК.

В тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении широко применяют стальные отливки весом до 200 тонн. Для фасонного литья применяют стали 15Л, 20Л, 30Л, 40Л, 50Л и 70Л (литьё станин прокатных станков, зубчатых колес, массовиков, цилиндров, станин станков), тормозные диски (40Л, 45Л, 30Л). Стали 50Л, 55Л применяют для износостойких отливок, не испытывающих ударных нагрузок. Для нагруженных отливок применяются легированные литые стали – 35ГЛ, 40ГЛ, 30ХГСЛ (колеса, шестерни, диски). Для литья ответственных шестерен, втулок, зубчатых колес, экскаваторов –35ХНЛ. Отливки из углеродистых сталей подвергают отжигу или нормализации с последующим высоким отпуском (630-650° С). Отливки из легированных сталей подвергают отжигу, нормализации с высоким отпуском или закалке с высоким отпуском (580-650° С). Литые стали по сравнению с деформированной имеют более низкую пластичность и вязкость. Свойства сталей 40ГЛ, 30ХГСЛ, 35ХН5Л после улучшения достигают _в 70-75 кг/мм², 10-12 %.

РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ.

Сталь, применяемая для пружин и рессор должна иметь высокий предел упругости и текучести при достаточной пластичности и вязкости. Для получения этих свойств стали должны содержать не менее 0,5 % С и подвергаться закалке и отпуску при 350-520° С для получения трооститной структуры. _в углеродистых сталей і100 кг/мм², в легированных _ві80 кг/мм². Наиболее часто используют стали 65Г, 60С2, 55С2, 50ХФА. Т.к. кремний задерживает распад аустенита, то кремнистые стали имеют высокий предел текучести, что обеспечивает хорошие упругие свойства. Кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, поэтому они заменяются хромо-марганце-кремнистыми сталями 65СГ или 65Г, а для крупных высоконагруженных пружин и рессор 60С2ХН, 60С2ХФК, 60С2Н2А. Для пружин и рессор – 50ХФ HRC 39-44. Повышение срока службы пружин и рессор может быть достигнуто дробеструйной обработкой, которая создает на поверхности сжимающие напряжения (в 1,5-2 раза повышается предел выносливости). Пружины также изготовляются из шлифованной проволоки и холоднотянутой ленты 65, 65Г, У8, У10. Часто применяется сталь ОВС, поступающая в виде проволоки после отжига при 210-320° С.

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ.

Кольца, ролики и шарики подшипников работают в условиях высокой твердости, износостойкости, сопротивляемости и контактной усталости – ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ.

К стали предъявляются высокие требования по чистоте от неметаллических включений до отсутствия карбидной неоднородности. После отжига стали должны иметь структуру феррита и однородного мелкозернистого карбида.

НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ.

Введение никеля в 18 % сталь переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства (2ґ13, 3ґ13, 4ґ14).

Стали типа ґ13 хорошо свариваются, широко применяются в технике (лопасти гидротурбин, лопатки паровых турбин). Стали 1ґ13, 2ґ13 – пластичны, 4ґ13, 3ґ13 – твердые, применяются для деталей, обладающих высокой износоустойчивостью, прочностью и стойкостью (инструмент, подшипники, пружины и другие детали, работающие в паре активных средин).

Сталь ОХ13 нестабильна по свойствам и небольшие отклонения по составу резко изменяют ее структуру от Ф до М. Стали 2Х13, 3Х13, 14Х13 мартенситного класса, Х17 и Х25-28 – ферритного класса. Таким образом, после закалки или охлаждения на воздухе с 900-1100° С эти стали будут иметь следующие структуры: ОХ13 и 1Х13 – Ф и М.

ДЕФЕКТЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

Высокие механические свойства легированных сталей обеспечили им преимущественное применение по сравнению с углеродистыми во многих отраслях специального машиностроения, но в легированных сталях чаще появляются различные дефекты, не встречающиеся в углеродистых сталях: флокены, отпускная хрупкость, дендритная ликвация.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.

Инструментальными называются стали углеродистые и легированные, содержащие углерод более 0,7 %, применяемые для изготовления инструмента. Легированные инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью применяют для инструмента не подвергающегося в работе нагреву выше 200-250° С (метчики, напильники, бритвенные ножи, лезвия, хирургический, гравировальный инструмент). Стали высокой прокаливаемости имеют повышенную теплостойкость (250-260° С) и режущие свойства и значительно мало деформируются при закалке. Они применяются для инструмента большого сечения при закалке в масле и в горячих средах – сверла ручные, развертки, плашки, гребенки.

СТАЛИ ДЛЯ МЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА.

Стали для мерительного инструмента должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, небольшим коэффициентом теплового расширения и сохранять постоянство размеров. Обычно применяют высокоуглеродистые стали марки Х, ХГ. Измерительный инструмент из стали Х, ХГ подвергается закалке 840-850 + 12-60 ч. 120-140° С HRC 62-64. Такой длительный отпуск делается для полного отпуска мартенсита.

Недостаток стали – склонность к обезуглероживанию и повышенная твердость в оттоженном состоянии, что ухудшает обработку резанием и давлением.

Сталь ХВГ предназначена для инструмента крупного сечения (протяжки). Недостатки – чувствительность к шлифовочным трещинам, высокая твердость после отжига, большое количество остаточного аустенита после закалки.

Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость и прочность при достаточной пластичности. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200-250° С, поэтому стали должны быть теплостойкими. Для крупных штампов необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке. Стали – Х12Ф, Х12М, Х6ВФ, 4ХВС, 5ХВ2С

Х12Ф, Х12М – ледебуритный класс содержит 16-17% карбидов. Стали предназначаются для массивных штампов сложной формы накатных роликов, валиков, глазков для калибрования. Стали обладают высокой износостойкостью и иало деформируются при закалке в масле. Стали обладают высокой прокаливаемостью и мелким зерном (Мо, V). Недостаток – высокая твердость и плохая обрабатываемость резанием в оттоженном состоянии, а также карбидная неоднородность (скопления карбидов, карбидная сетка, карбидная полосчатость).

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ.

Быстрорежущая сталь обладает высокой теплостойкостью, т.е. способностью сохранять высокую твердость, прочность и износостойкость при высоких температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью (до 600-620° С). Основные легирующие элементы – вольфрам и молибден. Стали обозначаются Р9, Р18, Р6М5 из них изготавливают режущий инструмент (фрезы, резцы). Быстрорежущие стали относятся к карбидному, ледебуритному классу. После отжига структура – легированный феррит и карбиды Fe₂WC.

В структуре литой стали присутствуют сложная эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. При ковке она разбивается и входящие в нее карбиды измельчаются. Для снижения твердости заготовки подвергаются изотермическому отжигу.

Окончательная термическая обработка + закалка и трехкратный отпуск 600°С. Высокая температура нагрева нужна для растворения карбидов. Образующийся высоколегированный аустенит обладает высокой теплостойкостью отжига и при очень высокой температуре нагрева часть карбидов (около 30%) остается нерастворенной. При нагреве до температуры закалки во избежании образования трещин применяют подогрев до 800-875° С в печи расплавляемой соли (1050-1100° С).

Выдержка при температуре закалки должна обеспечить дополнительное растворение карбидов, но во избежание окисления и обезуглероживания должна быть непродолжительной. Для инструментов диаметром 10-50 мм скорость нагрева 8-9 сек/мм при нагреве в соли и 12-14 сек. при нагреве в печи. Высоколегированный аустенит при охлаждении в любой среде масло, воздух, расплавы солей претерпевают мартенситное превращение.

Структура быстрорежущей стали после закалки – высоколегированный мартенсит, карбиды и остаточный аустенит (20-30%). После закалки – отпуск трехкратный 550-570° С. При отпуске остаточный аустенит превращается в мартенсит и происходит дисперсионное твердение. В результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Этот процесс сопровождается увеличением твердости. В процессе выдержки при отпуске из аустенита выделяются карбиды. При дальнейшем охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Продолжительность каждого отпуска – 60 мин. Для сокращения цикла обработки, после закалки применяется обработка холодом и двукратный отпуск. НRC 63-65.

ТВЕРДЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ.

Металлокерамическими твердыми сплавами называются сплавы, состоящие из карбидов вольфрама и титана, сцементированных металлической связкой. Сильно измельченные частицы карбидов связываются между собой кобальтом. Карбиды вольфрама и титана обладают высокой твердостью, но хрупкие HC 86-92 и выкрашиваются при работе с ударами и толчками. Твердые сплавы сохраняют высокую твердость, и сопротивление износу до 800-1000° С. Скорость резания этими сплавами в 5-10 раз превышает допустимую скорость резания быстрорежущими сталями. Твердые сплавы выпускаются трех типов (ГОСТ 3882-61).

ВК – вольфрамокобальтовые на основе карбида вольфрама. Цифры после букв указывают содержание в сплаве кобальта: по структурному составу сплавы представляют собой карбиды вольфрама связанные кобальтом.

ВК2, ВК3 – чистовое фрезерование при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов, а также для чернового точения, строгания, фрезерования и сверления чугуна, цветных металлов и их сплавов.

ТК – титановольфрамокобальтовые (WC-TiC-Co) Т5К10,Т14К8, Т15К6, Т10К6. Структура этих сплавов состоит из карбидов вольфрама и титана, связанных кобальтом. Сплавы ТК менее прочны, чем ВК, но более износостойкие. Чем больше сплав содержит карбида титана, тем выше износостойкость. С увеличением титана понижается прочность, повышается износостойкость. Применяются для чистовой и получистовой обработки, для черновой и обдирки стальных слитков и поковок.

Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, прикрепленных к держалке, изготовленной из обычной стали или инструментов простой формы.