Улучшение стали

Улучшение стали – комплекс операций по проведению термообработки, в который включены закалка и большой отпуск. У обработанных деталей повышаются:

• крепость;
• эластичность;
• вязкость ударная;
• крепость усталостная;
• уменьшается порог хладноломкости.

Сущность процесса улучшения

Процессу улучшения подвержены конструкционные улучшаемые стали трех категорий:

1. Углеродистые. Усредненное содержание, которого находится в границах от 0,25% до 0,6%.
2. Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих компонентов не больше 3%.
3. Среднелегированные. Кол-во вводимых компонентов в границах от 3% до 10%.

При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На этом этапе нужно обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали доминирует внутренняя структура – мартенсит.

Структура улучшаемой стали

Большой отпуск выполняется при температуре от 550°С до 650°С. Благодаря чему структура металла переходит в сорбит и выходит гомогенной и мелкозернистой.

Самого большого эффекта можно достичь если в период выполнения закалки не появляется феррит и бейнит.

Термическое улучшение металлов дает возможность менять подобные характеристики как:

1. Характеристики прочности:
   1. ?В – прочностный предел;
   2. ?0,2 – предел текучести;
   3. KCU – вязкость к ударам;

1. Характеристики пластичности:
   1. ?% — относительное удлинение;
   2. ?% — поперечное сужение;
2. Усталостные характеристики:
   1. ?-1 – усталостная крепость;
   2. ?-1 – предел усталости при кручении;
3. Твердость (НВ, HRC).

Технология проведения улучшения

При закалке, упрочнении, температура нагрева выбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно выбрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие детали (хром, молибден, ванадий, никель и другие) нужно расширить температуру нагрева.

Активное охлаждение изготавливается в 2-ух средах: воде и масле. Охлаждению в водной массе подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может подстрекать образование внутренних трещин и деформирований.

Внутреннюю структуру мартенсит можно изменить средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной степени зависит от процентного содержания легирующих компонентов.

Использование улучшения

После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые просят увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Применение углеродистых сталей вызвано дешевизной изготовления и технологичностью.

Улучшение стали применяется во время изготовления червячного вала

Материалы с большим содержанием углерода (60, 65) после улучшения применяются для создания пружинных и рессорных изделий.

Введенные легирующие детали дают возможность делать из этих сталей ответственные детали большего размера испытывающие более большие нагрузки. В результате проведения термические обработки у них сберегается вязкость и эластичность с повышением прочности и твердости, а еще понижается порог хладноломкости.

Прокаливаемость

Механичные свойства компонентов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая зависит от сквозной прокаливаемости, очень маленького диаметра. Этот показатель определяет образование больше половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые критерии, при которых выдерживается опасный диаметр.

Марка стали	Проведение закалки при температуре, °С	Опасный диаметр, мм
		Среда интенсивного охлаждения
		вода	масло
45	840…850	до 9	до 25
45Г2	840…850	до 18	до 34
40ХН2МА	840…850	до 110	до 142
38Х2МФА	930	до 72	до 86

Как говорит практика, на прокаливаемость серьезное влияние оказывают легирующие детали. Тем более это ощутимо если есть наличие никеля. Его наличие позволяет закаливать детали крупного диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термической обработке ответственную деталь диаметром более 100 мм со сбережением приданных параметров по всему объему.

Хладноломкость

Негативные температуры помогают переходу в непрочное состояние, что проявляется на показателях пластичности и ударной вязкости. При влиянии динамических нагрузок невысоких температур детали приходят в негодность. При выборе материала, из которого будут сделаны детали, работающие в сложных условиях, первым делом пользуются этим параметром, как хладноломкость.

Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля

График определяет, что очень высокое наличие никеля повышает порог хладноломкости. Также на это значение влияет молибден.

Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске содействует увеличению критерия хладноломкости.

Зависимость порога хладноломкости от размеров зерна

График показывает зависимость от размеров зерна:

1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;

2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.

Наличие серы и фосфора отрицательно оказывают влияние на формирование мелкозернистой структуры.

Неверный выбор материала для производства изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья неоднократно приводил к печальным последствиям. К примеру, вал, сделанный из ст. 40 и прошедший улучшение в климате умеренных широт, работает очень долго. А на Чукотке при морозе больше 50°С он поломается в начальные месяцы эксплуатации.

Механичные свойства после улучшения

У улучшаемых углеродистых сталей низкая прокаливаемость. По этому стали с 30 по 50 применяются для создания деталей диаметром не более 10 мм. После улучшения для них отличительны следующие параметры:

• ?В (прочностный предел) — 600…700 МПа;
• KCU (вязкость к ударам) – 0,4…0,5 МДж/м2;
• HRC (твердость) – 40…50.

Если элементу по эксплуатационным условиям требуется большая находящаяся на поверхности крепость, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Для изделий диаметром больше 30 мм чтобы придать качеств, полученных улучшением используются легированные металлы. При большой скорости закаливания, большего критического диаметра вместе с очень маленьким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и большая устойчивость к отпуску.

Так, сплав железа, имеющий в собственном составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:

• ?В (прочностный предел) — 1020 МПа;
• ?-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
• ?% (поперечное сужение) – 41%;
• HВ (твердость) – 241.

Помимо часто применяемых легирующих компонентов для размельчения зерна применяют титан, ниобий и цирконий. Для увеличения прокаливаемости используют бор.

Улучшение стали во время изготовления деталей

Например можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для этого типа деталей нужны высокие значения твердости поверхности для работы, а еще высокая эластичность и вязкость.

Тех. процесс выглядит так:

1. Получение заготовки объемной штамповкой.
2. Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
3. Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
4. Механическая обработка.
5. Термообработка. Калить не глубже 3 мм. После невысокий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
6. Шлифовка зубьев.

Подбирая режимы термообработки при улучшении необходимо учесть следующие факторы:

• степень легирования;
• диаметр и размер заготовки;
• переходы, являющиеся источниками стрессов;
• прилагаемые динамические нагрузки;
• рабочие условия;
• требуемая твердость.

Улучшаемые стали

Улучшаемые стали — это конструкционные материалы:

1. углеродистые;
2. малолегированные;
3. среднелегированные.

I	II	III
Углеродистые	малолегированные	среднелегированные
ГОСТ 1050-82	ГОСТ 4543-71	ГОСТ 4543-71
30-60	Морганцовистые 30Г-65Г, хромистые 30Х-40Х	38Х2МЮА и другие, но с содержанием углерода не больше 0,4%
	Хроммолибденовые 30ХМ-40ХМ, 50Г2
	Многокомпонентные 30-40ХГСА, 30-40ХМФА	45ХН2МФА

Легированные стали можно разделить на пару категорий:

• хромистые;
• хромомарганцевые (хромансиль);
• никелесодержащие;
• с добавкой вольфрама и молибдена.

Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она выполняется при воплощении отдельных мер, сохраняющих требуемые характеристики.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.