Контрольные вопросы

1. В чем заключается цель проведения отпуска?

2. Какие существуют виды отпуска?

3. Какая структура стали образуется после определенного вида от­пуска?

4. Как влияет при отпуске скорость охлаждения и температура на­грева на твердость сталей?

Термообработка легированных сталей цель работы

Практически установить влияние легирующих элементов на физико­механические свойства сталей, научиться самостоятельно проводить тер­мообработку легированных сталей, различных по назначению и свойствам.

1. Теоретическая часть

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентра­циях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими, а стали легированными.

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах.

Легирующие элементы изменяют физические, химические и другие свойства сталей. Необходимый комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой.

Обычно добавление легирующих элементов в сталь существенно увеличивает ее стоимость, поэтому введение их должно быть строго обос­новано.

По влиянию на температуру полиморфных превращений легирую­щие элементы делятся на две группы. К первой группе относятся элемен­ты, которые повышают критическую точку А4 и понижают точку A3 (рис. 1), т.е. расширяют температурный интервал устойчивого существования аустенита. К этой группе относятся никель, марганец, углерод, азот, медь и некоторые другие.

Если в стали содержание легирующего элемента первой группы больше а %, то сталь будет иметь однородную структуру аустенита, такие стали называются аустенитными.

Вторую группу образует большинство легирующих элементов - хром, ванадий, молибден, вольфрам, кремний, титан и др. Эти элементы понижают точку А₄ (рис. 2), т.е. увеличивают температурный интервал ус­тойчивого существования феррита. Исключение составляет хром, который понижает точки А₃ и А₄.

Если в стали содержание легирующего элемента второй группы больше b % (см. рис. 2), то сталь имеет однородную структуру феррита во всем интервале изменения температур и будет называться ферритной. Легирующие элементы могут растворяться в аустените, феррите и цемен­тите, образуя твердые растворы либо новые карбиды, а те, которые не об­разуют карбидов, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита. На диаграмме изотермического превращения аустенита линии начала и конца превращений легированных сталей сдвинуты вправо (по сравнению с углеродистыми) при одинаковом содержании углерода. Термическая об­работка легированных сталей имеет свои особенности.

1. Закалка

Легирующие элементы, за исключением алюминия и кобальта, по­нижают температуру начала мартенситного превращения.

Большинство легирующих элементов, увеличивая устойчивость переохла­жденного аустенита, уменьшают критическую скорость закалки (исключе­ние составляет кобальт). У некоторых легированных сталей критическая скорость закалки наступает при охлаждении на воздухе, в результате чего образуется мартенситная структура. Понижение температуры мартенсит­ного превращения способствует увеличению количества остаточного ау­стенита после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и про- каливаемость стали возрастают. Особенно увеличивает прокаливаемость молибден. Карбидообразующие элементы увеличивают прокаливаемость только в том случае, если она при нагреве растворилась в аустенйте. В противном случае они могут даже уменьшать прокаливаемость.

Температура закалки легированных сталей выше углеродистых. Это объясняется тем, что большинство легирующих элементов повышают тем­пературу критической точки Аз, Кроме того, диффузионные процессы в ле­гированных сталях протекают значительно медленнее, т.к. легирующие элементы образуют твердые растворы внедрения, а углерод - замещения. Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50...60°С выше точки А₃, а также увеличивают время выдержки при этой температуре, в резуль­тате чего получают структуру легированного мартенсита, который содер­жит не только углерод, но и легирующий элемент. Важным является и то, что легирующие элементы уменьшают склонность стали к росту зерна при нагреве.

Легированные стали обладают повышенной теплопроводностью, по­этому для уменьшения термонапряжений их следует нагревать медленно, а время выдержки при температуре закалки увеличивается.

2. Отпуск

Малая диффузионная подвижность атомов легирующих элементов существенно сказывается на процессах, протекающих при отпуске.

На первую стадию распада мартенсита (до 150 °С) влияние леги­рующих элементов незначительно. При дальнейшем нагреве процесс про­текает медленнее, чем в углеродистых сталях, и поэтому легированные стали сохраняют структуру отпущенного мартенсита до более высоких температур (иногда до 400...500 °С).

Легирование оказывает существенное влияние на второе превраще­ние - остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, а т.к. остаточного аустенита в легированных сталях после закалки, как правило, сохраняется значительное количество, то превращение его в отпущенный мартенсит

способствует сохранению высокой твердости при нагреве до более высо­ких температур.

Карбидная фаза при отпуске также претерпевает специфические из­менения. С ростом температуры концентрация легирующих элементов в цементите растет и образуется решетка специального карбида, которая может находиться в равновесии с ферритом. Образовавшиеся дисперсные карбиды увеличивают твердость стали. Это одна из причин явления так на­зываемой вторичной твердости после отпуска в интервале температур

500. .600 °С.

Процесс коагуляции легированных карбидов протекает при более высоких температурах и значительно медленнее, чем процесс коагуляции цементита углеродистых сталей. Поэтому при одной и той же температуре отпуска легированные стали обладают более высокой прочностью и пла­стичностью, чем углеродистые. Поэтому легированные стали применяют для изготовления деталей различного назначения.

2. Отжиг

При отжиге легированных сталей увеличивают не только продолжи­тельность нагрева и выдержки, но и продолжительность охлаждения, т.к. охлаждают со скоростью, меньшей, чем при отжиге углеродистых сталей. И все-таки их твердость после отжига остается достаточно высокой.

Для обозначения марок сталей в нашей стране принята буквенно­цифровая система. Легирующие элементы обозначают следующими бук­вами: А - азот (если стоит внутри маркировки), А - повышенное качество (если стоит в маркировке стали последней), Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - кобальт. Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирко­ний, Ч - редкоземельный, Ю - алюминий.

Каждая марка стали состоит из сочетания цифр и букв. Первые циф­ры показывают содержание углерода в сотых долях процента в конструк­ционных сталях и в десятых долях процента в инструментальных сталях. Легирующий элемент обозначается соответствующей буквой и содержание его в сплаве в целых процентах, если цифра отсутствует, то данного эле­мента в сплаве примерно 1,0...1,5 % и меньше. По назначению легирован­ные стали подразделяются на 3 большие группы: конструкционные, инст­рументальные и с особыми свойствами. Рассмотрим по одному представи­телю каждой группы и проведем их термическую обработку. Химический состав сталей приведен в табл. 1.

2. Конструкционные стали

Конструкционные стали применяются для ответственных конструк­ций, деталей машин, приборов и т.д. Они должны обладать высокой конст­рукционной прочностью, обеспечивающей длительную и надежную работу

материала, хорошо обрабатываться резанием и давлением, свариваться и иметь высокую прокаливаемость.

Марка стали	С	Si	Мп	Сг	Ni	Ti	W	V
4 0Х	0,36- 0,44	0,17- 0,37	0,5- 0,8	0,8- 1,1
Р18	0.7- 0,8			3,8- 4,4			17,5- 19	1,0- 1.4
12Х18Н10Т	<0,12	<0,8	<2,0	17-19	9,0- 11,0	0,6- 0,8

Таблица 1

Важно также, чтобы они содержали возможно меньше дефицитных легирующих элементов.

Химический состав легированных сталей, %

Представитель конструкционных сталей - сталь 40Х, закалку, отпуск и нормализацию которой предлагается провести. Эту сталь относят к де­шевым конструкционным материалам, т.к. с увеличением углерода повы­шается прочность, но снижается пластичность и вязкость. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость стали, поэтому данная сталь исполь­зуется для изготовления деталей диаметром более 25 ... 30 мм. Добавление хрома увеличивает прочность, понижая пластичность и вязкость. Сталь ре­комендуется для изделий, работающих без значительных динамических нагрузок.

Нагрев стали 40Х под закалку производят на 50...60 °С выше точки Ас₃ (850 °С).

2. Быстрорежущая сталь

Представителем данной марки стали является сталь Р18, она отно­сится к группе высоколегированных сталей, предназначенных для изго­товления высокопроизводительного инструмента.

Основными легирующими элементами являются вольфрам и хром. Буква Р в маркировке - от слова “рапид” - скорость, цифра показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Основное свойство этой стали

• высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элемен­тами. Инструмент, изготовленный из этой стали, сохраняет свою твердость до температур 600...640 °С.

При нагреве быстрорежущей стали выше точки Ас₃ (820...860 °С) протека­ет превращение эвтектоида в аустенит. Более высокий нагрев вызывает растворение в раствор части вольфрама, ванадия и хрома. Чем выше тем­пература закалки, тем большее количество легирующих элементов раство­

ряется в аустените, следовательно, тем более легированным получается мартенсит, который обладает большой теплостойкостью. Вследствие ма­лой теплопроводности стали Р18 нагрев осуществляют ступенчато (в осо­бенности детали сложной формы). Сначала прогрев при температуре

550. .600 °С, затем - 800...850 °С, конечная температура нагрева - 1280 °С. Часто для более равномерного прогрева инструмента и для уменьшения обезуглероживания нагрев производят в соляных ваннах, а охлаждающей средой при закалке является масло.

Микроструктура стали Р18 после закалки представляет собой мар­тенсит, остаточный аустенит (до 30 %) и нерастворенные карбиды. Чем выше температура закалки, тем ниже точки М_н и М_к (температуры начала и конца мартенситного превращения) и тем больше остаточного аустенита, который снижает режущие свойства стали.

После закалки следует высокотемпературный отпуск (560 °С). При этом часть остаточного аустенита переходит в мартенсит. После трехкрат­ного отпуска при 560 °С с выдержкой в течение часа количество остаточ­ного аустенита уменьшается до 2...3 %, твердость возрастает на 2...3 еди­ницы HRC. Если нагрев производить при температуре ниже 560 °С, то ни­каких существенных изменений в структуре не происходит.

В настоящее время при закалке стали Р18 применяют обработку хо­лодом. Закаленная сталь охлаждается до минус 80 °С, т.е. до температуры ниже точки Мк этой стали. При этом больше половины остаточного аусте­нита переходит в мартенсит, затем следует один иди два отпуска при тем­пературе 560 °С.

2. Нержавеющие стали

Разрушение металлов и сплавов вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой называется коррозией.

Углеродистые и низколегированные стали неустойчивы против кор­розии в атмосфере, воде и многих других средах, т.к. образующаяся пленка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического взаи­модействия со средой. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, следовательно, их введение обеспечивает коррозионную стойкость стали в данной среде.

При введении таких элементов в сталь происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Так, например, вве­дение в сталь более 12,5 % хрома делает её коррозионностойкой в атмо­сферных условиях и многих других промышленных средах. При меньшем содержании хрома сплавы столь же подвержены коррозии, как и обычные углеродистые стали. Определенное количество никеля (9 %) в 18 %-ной хромистой стали переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой, жаропрочной и нехладноломкой.

S7

Нержавеющие стали с содержанием хрома 18 % и никеля 8...9 % по­лучили широкое распространение. Они имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозийную стойкость в окислительных средах. Стали паро­магнитны.

Чем больше углерода, тем выше склонность этих сталей к межкри- сталлитной коррозии. Для ее уменьшения в сталь вводят титан. После мед­ленного охлаждения стали имеют структуру аустенит, феррит и карбиды М₂зС₆. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают до 1000... 1070 °С (для раство­рения карбида в аустените) и закаливают в воде или на воздухе.

В данной работе используется сталь 12Х18Н10Т.