Закалка сталей

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Виды термической обработки стали и чугуна

В зависимости от требований, предъявляемых к изделию, термическая обработка подразделяется на пять основных видов: отжиг без фазовых превращений в структуре металла, или рекристаллизация; отжиг, и нормализация с перекристаллизацией, или структурными превращениями; закалку, отпуск, химико-термическую обработку.

Отжиг без фазовых превращений. Этот вид термической обработки заключается в нагревании изделия до температуры ниже критической (600-700° С), в выдержке при этой температуре для равномерного прогревания изделия и медленном охлаждении вместе с печью.

Такой отжиг применяют после холодной деформации стали, в результате которой зерна стали вытягиваются в направлении деформации, т. е. преимущественно в одном направлении. В металле создается напряженное состояние, твердость и прочность повышаются, а пластичность падает. Такое явление называют наклепом. Чтобы повысить пластичность стали, ее нагревают до температуры 600-700° С.

В результате напряженное состояние металла снимается, зерна стали восстанавливают свою первоначальную форму и пластические свойства, происходит рекристаллизация.

Отжиг и нормализация с перекристаллизацией. Этот вид термической обработки заключается в нагревании доэвтектоидных сталей до температуры выше линии GS (см. рис. 13) на 30-50° С, а заэвтектоидных сталей — выше линии РК на 30-50° С, в выдержке при этих температурах и медленном охлаждении вместе с печью.

Цель этого отжига — снижение твердости стали, повышение пластичности и вязкости, улучшение обрабатываемости резанием и измельчение зерна металла. Измельчение зерна происходит следующим образом. При температурах выше линии РК происходит эвтектоидное превращение — перлит перекристаллизуется в аустенит. Зерна аустенита зарождаются в перлите на границе между ферритом и цементитом.

Таким образом, зерен аустенита образуется значительно больше, чем зерен перлита, но по размерам они мельче зерен перлита. При охлаждении из мелких зерен аустенита образуются мелкие зерна перлита, т. е. структура стали измельчается и механические свойства повышаются.

Нормализация отличается от отжига тем, что охлаждение изделия происходит на воздухе, следовательно, быстрее, чем при отжиге. Структура стали получается более мелкозернистая, поэтому механические свойства — твердость и прочность — будут выше. Нормализация в сравнении с отжигом более экономична, потому что не требует охлаждения вместе с печью. Большинство сталей поставляется металлургическими заводами после нормализации.

Закалка. Чтобы повысить твердость стали, производят ее закалку. Закалка заключается в нагревании изделий из доэвтектоидных сталей до температур выше линии GS на 30-50° С, а из заэвтектоидных сталей до температур выше линии РК на 30-50° С, в выдержке при этих температурах с последующим очень быстрым охлаждением.

При закалке твердость стали повышается следующим образом. Сталь нагревается до аустенитного состояния. В аустените — твердом растворе углерода в у-железе-* углерода растворяется больше, чем в феррите — твердом растворе углерода в железе.

Происходит перекристаллизация ужелеза в железо. Во вновь образовавшемся а-железе количество растворенного углерода будет такое же, как в у-железе. Поэтому после закалки стали получается структура пересыщенного углеродом а-железа, в результате чего повышается твердость металла. Такая структура называется мартенситом. Твердость мартенсита НВ700.

Необходимая скорость охлаждения при закалке обеспечивается охлаждающей средой. Например, все углеродистые стали для получения мартенситной структуры охлаждают в воде. Легированные стали требуют меньшей скорости охлаждения, поэтому их охлаждают в масле или других средах в зависимости от количества легирующих элементов.

Отпуск. Отпуск заключается в нагревании закаленной стали до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Отпуск служит для снятия внутренних напряжений в изделии, которые возникают при закалке, а также для повышения пластических свойств у изделий после закалки.

Мартенсит, получаемый после закалки стали,- не-, устойчивая структура. Поэтому при нагревании: закаленного изделия до температур, значительно ниже критических, мартенсит разрушается, образуя механическую смесь феррита и цементита.,

Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Отпуск при температуре 200-250°С называется низким. Этому виду отпуска подвергают режущий инструмент для уменьшения хрупкости и снятия напряжений, при этом сохраняется высокая твердость. После низкого отпуска получается структура, называемая мартенситом отпуска.

Отпуск при температуре 400-450°С называют средним. При этих температурах мартенсит распадается на ферритоцементитную смесь более мелкодисперсную, чем перлит.

Такая структура называется тро-оститом отпуска. После среднего отпуска твердость понижается (НВ380-420), а прочность и вязкость будут очень высокими.

Отпуск при температуре 600-650° С называют высоким. При этих температурах мартенсит распадается также на ферритоцементитную смесь более крупного, грубого строения, чем троостит отпуска. Структуру, полученную после высокого отпуска, называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск обеспечивает высокие пластические свойства, достаточно высокую прочность и небольшую твердость (НВ280-320).

Текст из документа «ДЗ тряпки вар. Д-23»

МГТУ им. Баумана

Домашнее задание по курсу:

Выполнил: студент Великанов А.А.

Вариант Д-23.

Выберите сталь для изготовления коленчатого вала теплового двигателя диаметром шейки 150 мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и ХТО, обеспечивающие механические свойства сердцевины σ>785 МПа, δ>10%, толщину слоя 0.6-0.7 мм. Постройте график термообработки, включая предварительную термическую обработку и азотирование, в координатах температура-время с указанием: температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения. Опишите процесс азотирования, указав его назначение, преимущество и недостатки.

Опишите структурные превращения, происходящие в детали на всех уровнях термической обработки. Укажите структуру и твёрдость стали на поверхности и в сердцевине вала после упрочнения.

Приведите основные сведения об этом сплаве: химический состав по ГОСТ, область применения, механические и технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Для изготовления коленчатого вала теплового двигателя подходит сталь 45ХФА.

Сталь 40ХФА обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере. Примем первый вариант термической обработки: закалку и средний отпуск. По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали составляет 880 °С (А_с3 — 810 °С). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назна­чаем при температуре 650 °С (выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура троостита отпуска (мелкодисперсная ферритоцементитная смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации.

Состав насыщающей среды

Глубина слоя, (мм)

Азотирование двухступенчатое

20 % NH₃ степень диссоциации 20–40 %

Процесс азотирования.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500-600 С в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак. Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие переменной растворимости азота в α- и ε-фазах происходит выделение вторичной γ_II-фазы.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз. Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой ε-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях.

По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твёрдость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочнённого слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность детали.

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 40ХФА — сталь перлитного класса. Критические точки стали: Ас₁ = 760 ± 10 °С, А_с3 = 800 ± 10 «С. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем _кр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 40ХФА при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Aс₁ (760 °С для стали 40ХФА). При температуре Ас₁ , в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe_->Fe_ и pacтворение цементита в аустените. Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита. При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + П) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличения пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалке в масло. При непрерывном охлаждении в стали с υ > υ_кр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (

I000. 7000 м/с) в интервале температур Мн . Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются (точки Мн и Мк изменяют свое положение на графике (см. рис. 6). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк . Например, введение кремния их повышает. В результате закалки стали 40ХФА ее структура может иметь кроме мартенсита и неко­торое количество остаточного аустенита. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Нагрев закаленной стали до температуры A_с1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. До 80 °С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80. 200 °С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита — смеси пересыщенного углеродом α-раствора и когерентных с ним частиц ε-кaрбида. В результате этого существенно уменьшаются степень тетрагональности мартенсита, уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200. 260 °С (300°С) и состоит из следующих этапов:

1) превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15. О,2 %, начинается преобразование ε-карбида в Fе₃C — цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) снижение остаточных напряжений;

4) некоторое увеличение объема, связанное с переходы А_ост->М_отл

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300. 400 ‘С. При этом

заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 «С активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250 °С) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска 350. 500 °C — трооститом отпуска; после высокого отпуска 500. 600 °С сорбитом отпуска. В стали 40ХФА после полной закалки в масле и среднего отпуска при 600 °С образуется структура троостита отпуска.

Сталь 40xФА. Основные данные.

1. ГОСТ 4543-71. Рессорно-пружинные стали.

2. Химический состав. %.

С — 0,37-0,44

Si — ,17-0,37

Mn — 0,5-0,8

Cr — 0,80-1,1

Ni — 0,3

Р — 0,025

S — 0,025

Cu — 0,30

Ni — 0,30

V — 0,10-0,18

3. Применение: Шлицевые валы, штоки, установочные винты, траверсы, валы экскаваторов и др.

4. Влияние легирующих элементов.

Кремний положительно влияет на структуру, механические и технологические свойства стали: сникает критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость, уменьшает скорость распада мартенсита, сильно упрочняет феррит, повышает прочность, твердость и прежде всего упругие свойства стали, увели­чивает сопротивление коррозии, снижает вязкость. Такое влияние кремния на свойства связано с его воздействием на матричную фазу и карбиды. Кремний способен создавать в твердом рас­творе направленные ионные связи, которые должны увеличивать напряжения трения в кристаллической решетке и тем самым повышать сопро­тивление движению дислокации, особенно при малых пластических де­формациях (упрочняющий эффект).

5. Свойства упругих элементов могут быть повышены путем по­верхностного наклепа в 1,5. 2 раза (обдувка дробью).

6. Недостатки стали 40xФА:

Трудносвариваемая, склонность к графитообразованию, склонность к отпускной хрупкости.

7. Свойства пружинной стали могут быть улучшены путем допол­нительного легирования. Кроме стали 40ХФА применяют стали 65Г, 50XФА, 30X3МФ.

Легирующие элементы — кремний и марганец — сильно упрочняют (феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали пос­ле термической обработки- влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется прежде всего в уменьшении кри­тической скорости охлаждения и повышение прокаливаемости. Карбидообразующие элементы — хром и ванадий — предупреждают обезуглеро­живание пружин при нагреве под закалку. Кроме того, введение ва­надия способствует дальнейшему повышению прочности, так как при­водит к образованию высокодисперсных частиц карбида МС (на осно­веVC ) при распаде мартенсита в процессе отпуска.