Поверхностное упрочнение стали

Поверхностная закалк а состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлажде­ния с целью получения высокой твердости и прочности в поверхно­стном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различ­ные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучени­ем, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь по­мещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц…10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагрева­ющие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с уве­личением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжи­тельности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, находящуюся в пределах 1…10 мм.

Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, от­сутствие окалинообразования. Недостаток — высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийно­му и массовому производству.

Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы — лазерная обработка. Благодаря высокой плотно­сти энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объем металла приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твердости и износостойкости.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения хи­мического состава, структуры и свойств поверхности стальных дета­лей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износо­стойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азо­тирование, цианирование и др.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880…950 °С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цемен­тации — газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄ и оксид углеродаСО. Твердая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали впере­мешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок дре­весного угля с добавкой солей Na₂СО₃ или ВаСО₃.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углеро­да (0,1…0,3 %). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0…1,2 %. Толщина цементованного слоя составляет 1…2,5 мм.

Цементацией достигается только выгодное распределение угле­рода по сечению детали, Высокая твердость и износостойкость по­верхности получается после закалки, которая обязательно прово­дится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твердость поверхности составляет HRC 60.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности ста­ли азотом. При этом повышаются не только твердость и износостой­кость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500…600 °С в среде аммиака NН₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодей­ствует с металлом.

Твердость стали повышается за счет образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подверга­ют только легированные стали. Наиболее сильно повышают твер­дость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3 … 0,6 мм, твер­дость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до НV 1200 (при цементации НV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отне­сти отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твердость и износостойкость, высокую коррозионную стой­кость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс одновременно­го насыщения поверхности стали угле родом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Разли­чают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500…600 °С. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2…0,5 мм, твердость поверхности — НV 1000.

При высокотемпературном цианировании температура состав­ляет 800…950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина повер­хностного слоя составляет 0,6…2,0 мм. После высокотемператур­ного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твердость после термообработки составляет HRC 60.

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием ос­новано на способности стали к наклепу при пластической деформации (см. раздел 2.1). Наиболее распространенными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обра­ботка поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специ­альных дробеметов направляется поток стальной или чугунной дро­би малого диаметра (0,5…1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твердость и износостойкость обработанной поверхности.

Кроме того, сглаживаются мелкие по­верхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструй­ной обработке составляет около 0,7 мм.

Обкатка роликами производится с помощью специальных при­способлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина уп­рочненного слоя доходит до 15 мм.

 

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированной называют сталь, содержащую специально введенные в нее с целью изменения строения и свойств легирующие элементы.

Легированные стали имеют целый ряд преимуществ перед углеро­дистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего, прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и короб­ления деталей. С помощью легирования можно придать стали различ­ные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства).

Классификация сталей по различным признакам была рассмот­рена ранее (см. раздел 3.2). Отметим только, что стали обыкновен­ного качества, могут быть только углеродистыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качественными.

Маркируются легированные стали с помощью цифр и букв, ука­зывающих примерный химический состав стали. Первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях про­цента. Далее показывается содержание легирующих элементов. Каж­дый элемент обозначается своей буквой: Н — никель, Г — марга­нец, Ц — цирконий, Т — титан, X — хром, Д — медь, С — кремний, А — азот, К — кобальт, Р — бор, П — фосфор, Ф — ванадий, М — молибден, Б — ниобий, В — вольфрам, Ю — алюминий. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание данного ле­гирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1% цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит при­близительно 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку, которая будет указана при рассмотрении этих сталей.

 

Конструкционные стали

Конструкционные стали идут на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений. Они должны обеспечивать длительную и надежную работу деталей и конструкций в условиях эксплуатации. Поэтому основное требование к конструкционным сталям — комплекс высоких механических свойств.

Строительные стали содержат малые количества углерода (0,1…0,3%). Это объясняется тем, что детали строительных конструкции обычно соединяются сваркой. Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость.

В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 и СтЗ, имеющие предел текучести σ_0.2=240 МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1,5 % Мn и 0,7% Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия и ниобия (до 0,1 %) повышает предел текучести до 450 МПа за счет уменьшения величины зерна. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, 17Г2АФБ.

Приведенные стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов.

Цементуемые стали содержат 0,1…0,3 % углерода. Они подверга­ются цементации, закалке и низкому отпуску. После этой обработки твердость поверхности составляет HRC 60, а сердцевины HRC 15 … 40. Упрочнение сердцевины в этих статях тем сильнее, чем больше содержание легирующих элементов. В зависимости от степени уп­рочнения сердцевины цементуемые стали можно разделить на три группы.

К сталям с неупрочняемой сердцевиной относятся углеродистые цементуемые стали 10, 15, 20. Их сердцевина имеет феррито-пер-литную структуру. Эти стали имеют высокую износостойкость, но малую прочность (σ_в= 400…500 МПа). Поэтому они применяются для малоответственных деталей небольших размеров.

К сталям со слабо упрочняемой сердцевиной относятся низколегированные стали 15Х, 15ХР, 20ХН и др. Сердцевина имеет структуру бейнит. Эти стали имеют повышенную прочность (σ_в = 750…850 МПа).

К сталям с сильно упрочняемой сердцевиной относятся, стали 20ХГР, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4В и др. Серцевина имеет мартенситную структуру. Стали этой группы имеют высокую прочность (σ_в = 1200…1600 МПа) и применяются для крупных деталей, испытывающих значительные нагрузки.

Улучшаемые стали содержат 0,3…0,5 % углерода и небольшое количество легирующих элементов (до 3…5 %). Эти стали подвергаются улучшению, состоящему из закалки в масле и высокого отпуска. После термообработки имеют структуру сорбита. Механические свой­ства разных марок улучшаемой стали в случае сквозной прокаливаемости близки (σ_в = 900…1200 МПа). Поэтому прокаливаемость оп­ределяет выбор стали. Чем больше легирующих элементов, тем выше прокаливаемость. Следовательно, чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует использовать. По прокаливаем ос­ти улучшаемые стали могут быть условно разбиты на пять групп.

В первую труппу входят углеродистые стали 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D _кр= 10 мм (см. раздел 4.2.). Эти стали под­вергаются нормализации вместо улучшения.

Ко второй группе относятся стали, легированные хромом ЗОХ, 40Х. Для них критический диаметр составляет D _кр= 15…20 мм.

Третью группу составляют хромистые стали, дополнительно ле­гированные еще одним двумя элементами (кроме никеля) ЗОХМ, 40ХГ, ЗОХГС и др. Для этих сталей D _кр= 20…30 мм.

Четвертая группа представлена хромоникелевыми сталями, со­держащими около 1% никеля: 40ХН, 40ХНМ и др. Их критический диаметр D _кр= 40 мм.

В пятую группу входят стали, легированные рядом элементов, причем содержание никеля доходит до 3…4 %: 38ХНЗ, 38ХНЗМФ (D _кр= 100 мм). Это лучшие марки улучшаемых сталей, хотя они сравнительно дороги.

Высокопрочные стали. Новейшая техника предъявляет высо­кие требования к прочности стали (σ_в = 1500…2500 МПа). Этим тре­бованиям соответствуют мартенитностареющие стали сочетаю­щие высокую прочность с достаточной вязкостью и пластичностью. Они представляют собой практически безуглеродистые (до 0,03 % С) сплавы железа с никелем (17…26 % Ni), дополнительно легированные титаном, алюминием, молибденом, ниобием и кобальтом.

Широкое распространение получила сталь Н18К9М5Т. Она подвергается за­калке на воздухе с 800…850 °С. Высокую прочность маргенситностареюшие стали получают в результате старения, представляющего собой отпуск, производимый при температуре 450…500 °С. В резуль­тате такой термообработки сталь Н18К9М5Т имеет предел прочно­сти σ _в = 2000 МПа.

Кроме упомянутой выше стали нашли применение стали Н12К8МЗГ2, МЮХ11М2Т, Н12К8М4Г2 и другие. Мартенситностаре-ющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, судостроении и т. д. Они обладают хорошей свариваемостью и обрабатываемостью. Эти стали являются достаточно дорогостоящими.

Пружинные стали. В пружинах и рессорах используются толь ко упругие свойства стали. Возникновение пластической деформа­ции в них недопустимо, поэтому высоких требований к пластичнос­ти и вязкости не предъявляется. Основное требование к пружинной стали — высокий предел упругости σ_y(см. раздел 1.2). Хорошие упругие свойства стали достигаются при повышенном содержании углерода (0,5…0,7 %) и применении термообработки, состоящей из закалки и среднего отпуска при температуре 350…450 °С. После та­кой термообработки сталь имеет троститную структуру.

Углеродистые пружинные стали (65, 70, 75) вследствие низкой прокаливаемости используются для пружин небольшого сечения. Они могут работать при температуре до 100 °С. Стали, легированные кремнием и марганцем (60С2, 60СГ и др.) предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их длительную и надежную работу. Для ответственных пружин применяют высокока­чественные стали легированные хромом и ванадием (50ХФА. 50ХГФА). Эти стали могут работать при температуре до 300 °С. Из них изготавливают, например, рессоры легковых автомобилей.

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изна­шивания. Изнашивание — это процесс постепенного разрушения поверхностных слоев трущихся деталей, который приводит к умень­шению их размеров (износу). Износостойкие стали можно разделить на три группы.

В первую группу входят стали, износостойкость которых дости­гается высокой твердостью поверхности. Они подвергаются закалке и низкому отпуску или химико-термической обработке.

Имеют структуру мартенсита или мартенсита с карбидными включениями. К этой группе относятся подшипниковые стали, из которых изготавливают­ся шарики и ролики подшипников качения. Они маркируются бук­вами ШХ и цифрой показывающей содержание хрома в десятых долях процента, содержат также марганец и кремний (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ). Содержание углерода в них около 1 %.

Ко второй группе относятся стали, износостойкость которых достигается смазывающим действием графита. Эти стали имеют в структуре графитные включения, которые в процессе изнашивания выходят на поверхность и выполняют роль сухой смазки. Эти стали имеют высокое содержание углерода (~1, %) и кремния (~1 %), что повышает способность к графитизации. Эти стали подвергаются графитизирующему отжигу, который аналогичен отжигу ковкого чугуна (см. раздел З.З.).

Третью группу составляют стали износостойкость, которых дос­тигается повышенной склонностью к наклепу. Это, прежде всего, сталь 110Г13. Она имеет невысокую твердость, которая при дей­ствии давления и ударов резко повышается, за счет чего и достигает­ся износостойкость. Эта сталь подвергается закалке от 1100 °С в воде, после чего получает аустенитную структуру. Плохо обрабаты­вается резанием, поэтому применяется в литом состоянии.