Глава 1. Кристаллическое строение металлов (стр. 7 )

эвтектоидной - М+Аост,

заэвтектоидных – М+Аост+ЦII.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева под закалку

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждающая среда должна обеспечивать скорость охлаждения стали выше критической в области наименьшей устойчивости аустенита. В диапазоне температур мартенситного превращения скорость охлаждения желательно замедлить, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит, и предотвратить возникновение закалочных дефектов. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и водные растворы NaCl, NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск.

7.4. Отпуск стали

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже АС, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях мартенсита при нагреве (см. п. 6.3), в результате которых происходит изменение структуры и свойств стали (рис. 43).

Различают три вида отпуска (табл.3). Окончательная термообработка, назначаемая изделию для придания требуемых свойств, состоит из закалки и последующего отпуска. Закалку с низким отпуском применяют для деталей машин и инструмента, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Закалку с последующим средним отпуском – для изделий с повышенными упругими свойствами. Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали

Таблица 3 Характеристика видов отпуска

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны

7.4.1. Отпускная хрупкость

Существуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается в температурном интервале среднего отпуска (250…400°С) у всех конструкционных сталей. Её связывают с неравномерным выделением карбидов из мартенсита по границам зёрен. Хрупкость I рода устраняется нагревом до температуры выше 400°С, снижающим, однако, твердость.

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) проявляется при температуре 500…550°С в Cr-Ni - и Cr-Mn - улучшаемых сталях. Предполагаемая причина – скопление фосфора и элементов внедрения по границам зёрен при медленном охлаждении. Хрупкость II рода устраняется повторным отпуском с быстрым охлаждением. Для предупреждения обратимой хрупкости стали легируют молибденом (0,3%) или вольфрамом (до 1%).

Рис. 44. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали

7.5. Закаливаемость и прокаливаемость стали

Закаливаемость – способность стали повышать твёрдость при закалке. Закаливаемость зависит от содержания углерода в мартенсите: чем больше в нем углерода, тем выше его твердость.

Прокаливаемость – способность стали получать структуру мартенсита на определённую глубину. Она характеризуется критическим диаметром: Dкр – максимальный диаметр цилиндрического образца, в центре которого после закалки образуется мартенситная структура (сквозная прокаливаемость) или структура полумартенсита (50% мартенсита + 50% троостита).

Для деталей, воспринимающих рабочую нагрузку равномерно по всему сечению, необходима сквозная прокаливаемость для получения однородной отпускной структуры и, следовательно, одинаковых свойств по всему сечению.

Факторы влияющие на прокаливаемость стали:

Прокаливаемость тем выше, чем выше устойчивость переохлажденного аустенита и меньше критическая скорость закалки. Прокаливаемость зависит от химического состава, размера зерна (температуры нагрева), охлаждающей среды, формы и габаритов детали.

Основное влияние на прокаливаемость стали оказывают легирующие элементы. Легирующие элементы, растворенные в аустените (кроме кобальта), смещая С-кривую вправо, повышают его устойчивость, Vкр снижается, а прокаливаемость увеличивается. Для повышения прокаливаемости в стали добавляют хром, марганец, кремний, никель, молибден, вольфрам, малые добавки бора. Легированные стали с более высокой прокаливаемостью используют для изготовления крупных деталей.

Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, нитридов (V, Ti, Nb) уменьшают устойчивость аустенита, снижая прокаливаемость.

Влияние размера зерна аустенита. Зародыши феррито-цементитной структуры преимущественно образуются по границам зерен аустенита. Чем крупнее зерно, тем меньше суммарная протяженность границ, меньше число возникающих зародышей и выше устойчивость аустенита. Повышение температуры и длительности нагрева приводит к укрупнению зерна, и, следовательно, к увеличению прокаливаемости.

7.6. Способы поверхностного упрочнения сталей

Многие детали машин работают в условиях повышенного износа, циклических и динамических нагрузок (валы, шестерни и др.). Их поверхность должна иметь высокую твёрдость и износостойкость, а сердцевина – сохранять вязкость и воспринимать ударные нагрузки. Для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости поверхностного слоя изделий применяют методы поверхностного упрочнения стали: поверхностную закалку и химико-термическую обработку (цементацию, азотирование и др.).

7.6.1. Поверхностная закалка стали с индукционным нагревом (закалка ТВЧ)

При поверхностной закалке ТВЧ для нагрева поверхности детали ее помещают в индуктор, через который пропускают токи высокой частоты. За счет создаваемого переменного магнитного поля в поверхностном слое металла возникают вихревые токи, что и вызывает прогрев на определенную глубину. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, обычно она составляет от 1 до 4 мм.

Этот способ обеспечивает более высокие скорости нагрева и охлаждения, чем объемная печная закалка. Превращение перлита в аустенит происходит при более высоких температурах (880…980°C). Охлаждение детали производится путем распыления воды из форсунок. После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск при температуре 160…200°C или самоотпуск.

Закалке ТВЧ подвергают среднеуглеродистые стали (0,4…0,5%С). После закалки и низкого отпуска на поверхности образуется структура мартенсита отпуска с твердостью до 60 HRC, что на 3…5 единиц больше, чем при печном нагреве. Сердцевина остается незакаленной, для обеспечения ее вязкости проводят предварительную термообработку: улучшение (структура - сорбит зернистый) или нормализацию (структура сорбит пластинчатый+феррит).

Закалка ТВЧ применяется для таких деталей как коленчатые и распределительные валы, шаровые пальцы, шестерни, зубчатые колеса и др.

7.6.2. Цементация

Цементация – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации - повышение твёрдости и износостойкости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.

Цементацию проводят при температуре 930…950°C в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). В качестве карбюризатора чаще используют газовые среды, например, эндогаз (20%СО+40%H2+40%N2, с добавкой 5% CH4). Основным источником атомарного углерода является окись углерода: 2СО→CO2+Cат. Атомы углерода, образующиеся в насыщающей среде, адсорбируются на поверхности детали, а затем диффундируют вглубь. Образуется диффузионный слой с повышенной концентрацией углерода, толщина которого зависит от температуры и длительности насыщения и составляет обычно 1…2 мм. Для получения слоя толщиной 1,5 мм цементацию проводят в течение 15 часов. Охлаждение после цементации ведут на воздухе.

Цементации подвергают малоуглеродистые стали (0,1…0,3%С). После цементации в поверхностном слое находится до 0,8…1,1% С, содержание углерода плавно уменьшается по глубине до исходной его концентрации в стали. Соответственно меняется структура от поверхности вглубь слоя от заэвтектоидной (П+Цвт), эвтектоидной (П) к доэвтектоидной (П+Ф).

Для получения окончательной структуры и свойств детали после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Для наследственно мелкозернистых сталей закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи, подстуживая детали до 860°C, затем дают низкий отпуск при 160…200°C. Для устранения крупнозернистой структуры сталей применяют повторный нагрев под закалку после цементации.

Окончательная структура поверхности изделия – Мотп+Аост+Цвт с высокой твердостью (58..64 HRC). Структура сердцевины углеродистых сталей – сорбит (перлит)+феррит, легированных – бейнит или малоуглеродистый мартенсит.

7.6.3. Азотирование

Азотирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Азотирование проводят при температуре 480…600°С в среде частично диссоциированого аммиака, который является источником атомарного азота: NH3→3/2H2+Nат. Длительность процесса азотирования составляет 24…60 часов для получения слоя толщиной 0,3…0,6 мм.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали (0,3…0,5%С), легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием, например 38Х2МЮА (0,38%С, 2% Cr, 1% Al, 0,2% Mo). Азотированный слой имеет многофазное строение: на поверхности образуются нитриды железа (ε- и γ΄-фазы, Fe2-3 N и Fe4 N соответственно), а также нитриды легирующих элементов типа MeN и Me2 N, которые придают высокую твёрдость (1100…1200 HV) азотированному слою.