Файл: Теория термообработки.doc

1. 
   Высокая штампуемость, т.е. способность принимать объемную форму из плоской заготовки.
   
2. 
   Высокое качество поверхности детали после холодной штамповки.
   

Эти требования обеспечиваются:

1. 
   Механическими свойствами.
   
2. 
   Химическим составом.
   
3. 
   Структурой.
   

Требования по механическим свойствам:

1. 
   Минимальная твердость (HRB) < 45 единиц (55 единиц – для легированных сталей).
   
2. 
   Высокий предел прочности σ_В, низкий σ_Т – число текучести.
   
3. 
   Высокая пластичность.
   

Требования по химическому составу:

1. 
   Содержание С<0,2%
   
2. 
   Суммарное содержание легирующих элементов меньше 1-1,5%
   
3. 
   Минимальное содержание примесей.
   
4. 
   Нежелательное присутствие растворенных газов.
   

Требования по структуре:

1. Зерно должно быть средним (6-8 балл). Мелкое зерно вызывает повышенную твердость, лист становится более жестким. Из-за этого быстро изнашиваются штампы. Если зерно крупное, то резко ухудшается качество поверхности. Возникает “апельсиновая корка”.

2. Недопустима разнозернистость, т.к. крупное зерно при пластической деформации утоняется более быстро, чем мелкое, поэтому в этих местах появляются трещины, надрывы, приводящие к браку.

3. Перлит в этих сталях желательно иметь зернистый, а не пластинчатый. Стали с пластинчатым перлитом имеют меньшую пластичность. Нежелательно расположение перлита в виде сетки по границам зерен, т.к. это снижает пластичность стали.

Листовую заготовку для холодной штамповки получают холодной прокаткой. Лист после холодной прокатки сильно упрочняется, и не может быть сразу подвергнут холодной штамповке. Для снятия наклепа перед холодной штамповкой используют рекристаллизационный отжиг. Этот отжиг проводят при температуре 680º С. Отжиг проводят либо для рулонов, тогда используют камерную печь (выдержка 6-8 часов). В специальных непрерывных агрегатах проводится отжиг движущейся ленты. При непрерывных агрегатах температурный режим обеспечивает одинаковую структуру по всей длине ленты. Высокое качество поверхности изделия зависит от склонности стали к деформационному старению. Деформационное старение это эффект увеличения предела текучести из-за повышенного содержания в сталях газов.

1. 
   – кривая растяжения сталей, склонных к деформационному старению.
   
2. 
   - кривая растяжения сталей, не склонных к деформационному старению.
   

---

Деформационное старение возникает блокированных дислокаций примесными атомами, которые образуют целые атмосферы. Для начала пластической деформации необходимо оторвать дислокации от этих атмосфер. Для этого требуется более высокое напряжение. Из-за этих атмосфер пластическая деформация развивается по объему металла неравномерно. В результате на поверхности стального листа возникает целая сетка линий скольжения, которая выглядит как тонкие царапины. Для их устранения требуется дополнительная отделка поверхности, что не всегда возможно. Чтобы предотвратить появление линий скольжения, сталь склонную к деформационному старению перед холодной штамповкой подвергают небольшой пластической деформации на прокатном стане или в правильной машине.

Малая пластическая деформация позволяет устранить зуб текучести. 2% вполне достаточно, чтобы оторвать дислокации от примесных атомов. Такая предварительная пластическая деформация называется дрессировкой. После дрессировки эффект деформационного старения вновь проявляется примерно через 10-15 дней. Поэтому дрессировку необходимо проводить перед холодной штамповкой. Для того, чтобы сделать сталь нечувствительной к эффекту деформационного старения, в нее в качестве добавок в небольшом количестве вводят Al (0,02-0,04%), V (0,2%)

В результате образуются AlN, VN. Атомы азота остаются неподвижными, эффект деформационного старения исчезает.

Марки сталей, используемых для холодной штамповки: 08кп, 05кп – хорошая пластичность, дешевые; 08пс, 08сп – сталь более жесткая; 10, 15, 20, 10кп, 10пс, 10сп.

Нестареющие стали: 08Ю, 08Ф, 10ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ.
ДФМС – двухфазные мартенситные стали.

Низкий предел текучести, высокий предел прочности.

Химический состав:

пластичность 0,03-0,06% С, 0,5% Cr, 0,2% Mn, 0,5-1,5% Si. Сталь с таким химическим составом после охлаждения, после горячей прокатки или после специальной термообработки, которая заключается в быстром охлаждении с температурой между точками Ас1 и Ас3, имеет структуру Феррит + Мартенсит (М – 10-30%). Феррит обеспечивает высокую пластичность, низкий предел текучести. Мартенсит обеспечивает высокий предел прочности ( = 0,5 – 0,6). В исходном состоянии сталь обладает высокой пластичностью, но после холодной деформации, упрочнение затрагивает главным образом ферритную структуру, т.е. происходит быстрое упрочнение металла. В результате получается готовое изделие с высокой прочностью, поэтому из этих сталей делают такие изделия, как колесные диски для грузовиков, бамперы, лонжероны, рамы. Самые дешевые марки 09Г2С, 03ХГЮ, 06ХГС.

---

Высокопрочные стали

К ним относятся стали с σв > 1400-1500 мПа. Самые прочные достигают σв=3000 мПа.

Так же обладают высоким пределом текучести σт > 1350-1400 мПа, т.е. стали - высокопластичные. Высокопрочные стали применяются в авиации и ракетной технике, т.к. они позволяют при заданной прочности снизить вес конструкции. Чтобы получить высокую прочность необходимо провести соответствующее легирование, обеспечить высокую чистоту металла, получить структуру за счет термообработки, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Высокую прочность, твердость можно получить и в обычных углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но при этом такая сталь обладает высокой хрупкостью, т.е. не может сопротивляться ударным нагрузкам. Поэтому такие стали отнести к высокопрочным можно лишь условно. К высокопрочным сталям относят те стали, которые обладают высоким сопротивлением к хрупкому разрушению К_1С = 200-300 кДж/м².

Для повышения вязкости стали, в нее обычно вводят большое количество Ni, Mo, Mn. Для повышения прокаливаемости сталь должна содержать Cr, Si. Для образования упрочняющих интерметаллидных фаз добавляют Ti, Al, W. Несмотря на то, что С – самый сильный упрочнитель, повышение его концентрации ведет к снижению вязкости. Поэтому содержание С <0,3-0,4%. А в некоторых сталях, где требуется высокий запас вязкости содержание С <0,03%. Многие марки сталей выплавляют таким образом, чтобы добиться в них повышенного содержания азота. Азот вместе с углеродом образует в сталях карбиды, которые эффективно упрочняют сталь. В зависимости от химического состава и свойств высокопрочные стали делят на несколько групп:

НУС – низкоуглеродистые стали.

СУС – среднеуглеродистые стали.

ВУС – высокоуглеродистые стали.

МСС – мартенситностареющие.

МАС – стали с метастабильным аустенитным состоянием.

---

Низкоуглеродистые стали

К низкоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,15% .

Для повышения вязкости в сталь вводят 1-2% Mn.

Для повышения прокаливаемости в сталь вводят 0,5-1% Cr.

Низкоуглеродистые стали подвергают закалке (500-600º С) и низкому отпуску.

После термообработки получается отпущенный мартенсит. Упрочнение происходит за счет образования карбидов, нитридов, а также интерметаллидных фаз.

Самая дешевая сталь – 14Г2АФ.

Самая дорогая – 14ХГН2МДАФ.

Предел прочности в сталях σв<1000-1500 мПа.

Среднеуглеродистые стали.

Данные стали применяются для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, крепежных деталей.

Химический состав: 0,3-0,4% С, 1-2% Mn, 1-2% Ni, 0,5-1% Cr, 0,5-1,5% Si, 0,2-0,4% Mo, до 0,2% Ti.

Типовой режим термообработки: полная закалка + отпуск (200-400º С)

Основные стали группы: 30ХГСН2А, 40ХСН2МА.
Высокоуглеродистые стали.

К высокоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода до 0,7% .

Их основное назначение – это получение канатной проволоки. При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П и тут же подвергают холодной деформации – волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклепа позволяет получить в проволоке σв=3000-5000 мПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.
Мартенситно-стареющие стали.

Из всех высокопрочных сталей они наиболее часто используются. Это объясняется сочетанием высоких механических свойств (стали хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью, они не меняют своих размеров при закалке, не подвергаются объемным изменениям). Основным отличием является полное отсутствие углерода (менее 0,03%). Упрочнение происходит за счет термообработки, которая включает в себя закалку (900-1000º С) и последующее старение (350-480º С).

После закалки эти стали имеют безуглеродистый мартенсит. Поэтому не обладают высокой прочностью. В таком состоянии стали могут подвергаться пластической деформации, обработке резанием, шлифованием. Окончательно высокие механические свойства достигаются, когда полностью готовое изделие подвергается старению.

В процессе старения внутри мартенсита выделяются интерметаллидные фазы, которые располагаются вокруг дислокаций и блокируют их перемещение. В результате резко увеличиваются прочность и твердость. Чтобы получить такие свойства, сталь должно содержать Ni – 12-20%, Co – 8-12%, Mo – 5-10%, Ti – 1-2%, Cu до 0,5%. Большое количество Ni ведет к резкому понижению температуры начала мартенситного превращения. Наиболее широко известная марка: Н18К9М5Т.

---

Стали с метастабильным аустенитным состоянием.

В настоящее время эти стали обладают наивысшим сочетанием прочности и вязкости. Поэтому являются самыми надежными конструкционными материалами. Сочетание высоких механических свойств обеспечивается технологией их обработки, а так же химическим составом: С до 0,3%, Ni до 25%, Mo до 4%, Mn 10-12%, Cr 10-12%, Si до 2%.

Большое количество Ni, Mo, Mn ведет к тому, что после закалки мартенситного превращения не происходит, т.е. структура остается аустенитной. Если такую сталь подвергнуть деформации, то возникающий наклеп переводит аустенит в нестабильное состояние. Степень деформации выбирается такой, чтобы получить в данной сталь неустойчивое состояние, т.е. последующее охлаждение или дополнительная деформация будут вызывать в стали мартенситное превращение. Переход аустенита в мартенсит будет наблюдаться не во всем объеме детали, а лишь в тех местах, где появляются микротрещины. Образование микротрещин сопровождается локальной пластической деформацией ее вершины, но эта деформация вызывает мартенситное превращение, в результате чего прочность в этом месте увеличивается и разрушение прекращается. Металл сам себя “лечит” в тех местах, где появляются разрушения. Такой эффект самоупрочнения в процессе эксплуатации позволяет деталям работать длительное время без разрушения. Недостаток таких сталей – высокая стоимость, необходимость проведения теплой деформации Tдеф=300-500º С, требуется мощное оборудование. По такой технологии можно выпускать отдельные виды полуфабрикатов (листы, профили круги).

Основные стали: 25Н24М4, 24Н21Г2С2М4, 30Х10Г10 и 14Х14АГ12.


Шарикоподшипниковые стали.

Шарикоподшипниковые стали по назначению относят к конструкционным, но по химическому составу они попадают в область инструментальных сталей и находятся как бы на границе. Основные требования определяются назначением:

1. Высокая статическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку с минимальной деформацией (ε < 0,01%).

2. Высокая контактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в стали неметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и дают начало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкости стали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали от вредных примесей.

---