Файл: Л.П. Короткова Структура и свойства легированных конструкционных сталей общего и специального назначения.pdf

9

Рис.5. Структура сталей после упрочняющей термической обработки: а, б – после закалки и низкого отпуска; в – после изотермической закалки; г, д – после закалки и отпуска высокого и среднего соответственно; е – после нормализации

Заключительной операцией обязательно является низкий отпуск, цель которого снять напряжение и ликвидировать остаточный аустенит.

В некоторых случаях возможна отмена полной закалки с нагревом выше линии Ас3. Во-первых, для легированных карбидообразующими элементами сталей, которые не склонны к росту зерна при температурах цементации. Во-вторых, в случае пониженных требований к общей прочности деталей.

10

4.3.3. Улучшаемые стали содержат 0,3-0,5% С (ГОСТ 4543-71): 3СХ, 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 30Г, 40Г, 35Г, 50Г, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2, 30ХГТ, 40ХФА, 33ХС, 38ХС, 40ХС, 30ХГС, 35ХГСАА, 30ХМ, 35ХМ, 40ХН, 50ХН, 30ХН3А, 38ХГН, 30ХН2МА, 40Х2Н2МА и др.

Подвергаются термической обработке – улучшению (рис.4, г) на структуру сорбит (рис.5, г) с твердостью HRC 30-35. Такая термическая обработка обеспечивает наилучшее сочетание прочности и вязкости, что обеспечивает конструктивную прочность деталям машин.

Для повышения контактной прочности, износостойкости трущихся поверхностей используют методы поверхностного упрочнения − поверхностную закалку или азотирование, которые выполняют после улучшения. Улучшение обеспечивает сорбитную структуру в сердцевине. Реже применяют цементацию из-за повышенного содержания углерода в сердцевине.

Поверхностная закалка ТВЧ используется в массовом производстве для деталей простой формы, часто из углеродистых сталей марок 50, 55 либо для местного упрочнения деталей сложной формы из низколегированных сталей (40Х, 35Х, 30ХГТ). Вследствие образования мелкоигольчатого мартенсита на глубине 1-3 мм обеспечивается твердость HV 70009000 (HRC 52-58).

Азотирование наиболее эффективно для сложнолегированных сталей с карбидообразующими элементами. Классические для азотирования стали 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 40Х, 40ХН3ФА. Азотирование при 500-520º С обеспечивает твердость HV 800-1000 на глубине 0,5 мм. Такие детали имеют повышенную износостойкость, теплостойкость до 500º С и коррозионную стойкость.

5. ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НЕКОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

5.1. Рессорно-пружинные

Стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов, рессор. К ним предъявляются требования по пределу выносливости,

11

упругости, релаксационной стойкости при достаточной пластичности и вязкости.

Указанные свойства достигаются повышенным содержанием углерода 0,5-0,8%, введением основных легирующих элементов кремния 1,5- 2,8 %, марганца 0,6-1,2%, повышающих упругость, и термической обработкой на структуру троостит отпуска. Пружинные стали дополнительно могут содержать хром, ванадий, вольфрам, никель, которые повышают прочность, прокаливаемость, закаливаемость стали, снижают склонность к росту зерна и к обезуглероживанию. По структурному признаку это стали перлитного класса.

Углеродистые стали 65,70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г по ГОСТ 1050-88

используются для пружин малого сечения. Наибольшее применение из легированных находят кремнистые стали марок 55С2, 60С2А, 70С3А, для крупных тяжелонагруженных используются стали, легированные комплексно, типа 60С2ХФА, 65С2ВА, 50ХГФА, для работающих с динамическими нагрузками стали с никелем 60С2Н2А по ГОСТ 14 959-79. При выборе марки стали необходимо учитывать, что она должна обеспечить полную прокаливаемость по Д99 или Д95 для заданной толщины изделия.

Типовой режим термической обработки (рис.6,а) заключается в полной закалке и среднетемпературном отпуске на структуру троостита с твердостью HRC 38-48 (рис.5, б). Срок службы пружин повышает обработка ППД, а также использование потентирования холоднотянутой проволоки.

5.2. Износостойкие стали

Предназначены для изготовления деталей машин, работающих в условиях интенсивного абразивного, усталостного изнашивания, а также в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Высокая контактная выносливость может быть обеспечена за счет максимальной твердости поверхности. Поэтому к износостойким материалам относятся стали с высоким содержанием углерода, которые обрабатывают на максимальную твердость.

Стали, устойчивые к усталостному изнашиванию марок ШХ4,

А+КII АС1

б

Т,0С

АС1

Рис. 6. Типовые режимы термической обработки сталей специального назначения: а – рессорно-пружинные стали; б – подшипниковые стали; в – нержавеющие стали ферритного класса; г - нержавеющие стали

13

ШХ15, ШХ15ГС, ШХ20СГ (ГОСТ 801-78), называются подшипниковыми. Они предназначены для изготовления шариков, роликов, внутренних и внешних колец подшипников качения. Для обеспечения максимальной твердости эти стали содержат 1% С, а для улучшения технологических свойств, в том числе и прокаливаемости, их легируют хромом, который указывается в маркировке в десятых долях процента. По структурному признаку это стали перлитного класса, заэвтектоидные.

В состоянии поставки подшипниковые стали должны иметь структуру зернистого перлита (НВ 180-220). Для повышения усталостной прочности к ним предъявляются высокие требования по качеству, а именно по наличию карбидной неоднородности и неметаллических включений они относятся к высококачественным.

Типовой режим термической обработки соответствует заэвтектоидным сталям (рис.6, б): неполная закалка от 820-8500С и низкий отпуск при 160-2200С на структуру мартенсит и вторичные карбиды Ме3С

(HRC 60-64) (рис.5, в).

5.3. Автоматные стали

Это стали хорошей обрабатываемости резанием и созданы для обработки на автоматических линиях. Обрабатываемость резанием низкоуглеродистых сталей улучшается за счет введения повышенного количест-

ва серы (0,08-0,3 %) и фосфора (0,05-0,15%), а также свинца (0,15-0,3 %)

и кальция (0,002-0,008 %), которые способствуют из-за наличия глобульных включений образованию стружки скалывания.

В настоящее время используются стали марок А12, А20, А30, А35,

А40Г, АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ30ХН, (ГОСТ 1414-75), в которых цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента; С – стали со свинцом, Ц - стали с кальцием. Они являются низко- и среднеуглеродистыми сталями, и поэтому типовые режимы упрочняющей термообработки заключаются либо в нормализации, либо в улучшении, либо в цементации с последующей закалкой и низким отпуском (рис. 4). Вид термической обработки определяется назначением детали.

14

Эти стали широко применяются в массовом производстве, особенно в автомобилестроении, станкостроении, тракторном машиностроении для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин.

5.4. Нержавеющие стали

Это стали, к которым предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости. Она обеспечивается за счет легирования и термической обработки.

В общем машиностроении широко применяются хромистые стали

08Х13, 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х25Т (ГОСТ 5632-72).

Стали содержат более 12,5 % хрома, что изменяет их электропотенциал с электроотрицательного на электроположительный.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества углерода и хрома.

08Х13, 12Х17, 15Х25Т по своему признаку являются сталями ферритного класса и имеют структуру феррита или феррита с небольшим количеством карбидов хрома. Упрочняющей обработке поэтому они не подвергаются, только рекристаллизационному отжигу после холодной обработки давлением для получения рекристаллизованной мелкозернистой структуры феррита (рис.2, г). Может применяться закалка по стабилизации феррита с целью растворения карбидов, кроме (рис.6, г) по типу аустенитных сталей.

Остальные из перечисленных марок хромистых сталей относятся к сталям мартенситного класса (кроме 12Х13 – феррито-мартенситная). Это значит, что они претерпевают полное фазовое γ-α превращение и закаливаются на воздухе. Упрочняющая обработка этих сталей зависит от назначения.

Стали 20Х13, 30Х13 могут использоваться после типового термического улучшения (шестерни, валы) со структурой сорбита (рис.4, г) или после закалки и среднего отпуска (пружины, рессоры) со структурой троостита (рис.6, а).

Стали 30Х13, 40Х13 могут применяться для изготовления коррозионностойкого режущего инструмента и подшипников, поэтому типовой режим их обработки соответствует инструментальным сталям и заключа-

15

ется в закалке и низкотемпературном отпуске на структуру мартенсит и вторичные карбиды (рис.6, б).

Второй важной группой нержавеющих сталей являются хромонике-

левые 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 10Х13Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4 аустенитного класса (ГОСТ 5632-72).

Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания углерода и может включать в себя кроме аустенита феррит и карбиды хрома. Из-за разности электропотенциалов фаз между ними возникает межкристаллитная коррозия. Для снижения этого явления общей для всех сталей аустенитного класса является термообработка, направленная на стабилизацию аустенитной структуры. Она заключается в закалке из однофазной аустенитной области. Быстрое охлаждение в воде фиксирует аустенитную структуру и подавляет полиморфное превращение γ - α, а также выделение вторичных карбидных фаз. Заключительной операцией является отпуск для снятия напряжений или старение для обеспечения эффекта упрочнения (рис.6, г и рис.2, д).

Упрочнить аустенитные стали, так же как ферритные, можно только холодной пластической деформацией, т.е. наклепом.

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

6.1.Познакомиться с методическими указаниями и законспектировать основные теоретические положения.

6.2.На примере заданных марок сталей определить класс сталей по структуре.

6.3.Используя соответствующие ГОСТы, выписать в таблицу приложения вид упрочняющей термической обработки, свойства и область применения конструкционных сталей.

6.4.С помощью микроскопов изучить структуру легированных сталей в равновесном состоянии и после упрочняющей термической обработки. Зарисовать в таблицу отчета.

16

7.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как распределяются легирующие элементы в фазах?

2.Как меняют легирующие элементы положение критических температур, концентраций предельной растворимости твердых растворов, эвтектической и эвтектоидной реакций на диаграммах состояний?

3.Перечислите основные классы легированных сталей по структуре в равновесном состоянии.

4.Какие стали относятся к сталям перлитного, ферритного, аустенитного

икарбидного класса?

5.Как подразделяются конструкционные стали специального назначения?

6.Основные особенности маркировки конструкционных сталей специального назначения.

7.Назовите основные виды типовых режимов упрочняющей термической обработки сталей специального назначения:

пружинных, износостойких, автоматных, нержавеющих.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Материаловедение / Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машино-

строение, 1986. – 384 с.

2.Лахтин Ю.М., Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева.

-М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

3.Конструкционные материалы: Справ. / Под ред. Б.Н. Арзамасова.

– М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.

4.Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. –640 с.

5.Специальные стали.: Учеб. для вузов / М. И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: Металлургия, 1985. – 408 с.