Улучшение стали это закалка

Улучшение стали

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

  • прочность;
  • пластичность;
  • вязкость ударная;
  • прочность усталостная;
  • снижается порог хладноломкости.

Сущность процесса улучшения

Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:

  1. Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
  2. Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
  3. Среднелегированные. Количество вводимых элементов в пределах от 3% до 10%.

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

Структура улучшаемой стали

Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.

Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.

Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:

  1. Прочностные характеристики:
    1. ϬВ – предел прочности;
    2. Ϭ0,2 – предел текучести;
    3. KCU – ударная вязкость;
  1. Характеристики пластичности:
    1. δ% — относительное удлинение;
    2. ψ% — поперечное сужение;
  2. Усталостные характеристики:
    1. Ϭ-1 – усталостная прочность;
    2. Ψ-1 – предел усталости при кручении;
  3. Твердость (НВ, HRC).

Технология проведения улучшения

При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.

Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.

Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Применение улучшения

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

Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала

Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.

Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.

Прокаливаемость

Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.

Марка стали Проведение закалки при температуре, °С Критический 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
Читайте также:  Сталь звуко буквенный разбор

Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.

Хладноломкость

Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.

Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля

График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.

Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.

Зависимость порога хладноломкости от размера зерна

График показывает зависимость от размера зерна:

1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;

2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.

Наличие серы и фосфора отрицательно влияют на формирование мелкозернистой структуры.

Неправильный выбор материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья не раз приводил к катастрофическим последствиям. Например, вал, изготовленный из ст. 40 и прошедший улучшение в умеренном климате, работает не один год. А на Чукотке при морозе больше 50°С он сломается в первые месяцы эксплуатации.

Механические свойства после улучшения

У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:

  • ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
  • KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
  • HRC (твердость) – 40…50.

Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.

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

  • ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
  • Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
  • ψ% (поперечное сужение) – 41%;
  • HВ (твердость) – 241.

Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.

Улучшение стали при изготовлении деталей

Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.

Технологический 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. Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
  6. Шлифование зубьев.

Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:

  • степень легирования;
  • диаметр и размер заготовки;
  • переходы, являющиеся источниками напряжений;
  • прилагаемые динамические нагрузки;
  • условия работы;
  • 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 прочие, но с содержанием углерода не более 0,4%
Хроммолибденовые 30ХМ-40ХМ, 50Г2
Многокомпонентные 30-40ХГСА, 30-40ХМФА 45ХН2МФА
Читайте также:  Электроды для низкоуглеродистых сталей гост

Легированные стали можно поделить на несколько категорий:

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

Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она производится при соблюдении некоторых мер, сохраняющих требуемые характеристики.

Источник

Улучшение стали — процесс, технология, улучшаемые стали

Улучшение стали – комплексная термообработка стали, заключающаяся в закалке детали с последующим высоким отпуском стали, обеспечивающая хорошие показатели прочности и пластичности.

Сущность процесса улучшения стали

После закалки стали в ней преобладают структуры мартенсита. Высокий отпуск стали заключается в нагреве, как минимум, на 20-40°C ниже точки Ac1 (см. Диаграмму железо-углерод), но не ниже 500°C, выдержке и контролируемом охлаждении детали.

Улучшение сталей на диаграмме железо-углерод

На втором этапе улучшения сталей – процессе высокого отпуска стали – происходит диффузионный распад мартенсита до образования сорбита отпуска (см. Элементы теории термической обработки). Сорбит отпуска имеет однородную и дисперсную структуру.

Хромистые стали

Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость.

Прокаливаемость сталей невелика и для ее увеличения легируется бором (0,002…0,005%). Критический диаметр стали 35ХР при закалке в воде составляет 30…45 мм, а в масле 20…30 мм.

Введение 0,1…0,2 % ванадия (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Значение механических свойств некоторых улучшаемых сталей после термообработки приведены в таблице 10.

Улучшаемая сталь

Примеры улучшаемых сталей:

Углеродистые улучшаемые стали: сталь 30, сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 50.

Легированные улучшаемые стали: 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХН, 40ХНА, 40ХНМА, 30Х2Н4МА, 38ХН3МА, 38Х2НМА, 30ХГСА, 30ХГС-Ш.

Некоторые улучшаемые стали пригодны для поверхностной закалки (плазменной и индукционной), в частности — сталь 45.

Основным свойством улучшаемых сталей является прокаливаемость, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь (сквозное улучшение). Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей — предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия.

После улучшения гарантируются следующие свойства сталей: временное сопротивление σВ от 55 до 150 кгс*мм-2, удлинение δ5 от 6 до 50%, поперечное сужение ψ=30-60% (по данным ). Изменение значений этих свойств в зависимости от температуры отпуска иллюстрируется «диаграммами улучшения» (пример на рисунке).

Термическая обработка. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.

Улучшение стали 45

Углеродистая улучшаемая сталь 45 имеет низкую прокаливаемость и после термического улучшения предназначается для изготовления деталей небольшого сечения (до 15 мм). Режим термообработки, в частности, термического улучшения, стали 45 подбирается в зависимости от размеров, вида изделия (прокат, поковки..) и его назначения. Режимы термообработки — закалки и отпуска при улучшения стали 45 для различных сечений приводятся в стандарте ГОСТ 1050-88. Сталь качественная и высококачественная…

Читайте также:  Потери стали при изготовлении

Механические свойства стали 45, в свою очередь, зависят от технологического режима улучшения. Например, сталь 45 после улучшения с закалкой при 830-850°C и отпуском при 550° имеет свойства: σВ=900-1000 МПа, σ0,2=750-850 МПа, δ=12-8%, ψ=65-55%, KCU=1,2-1,1 МДж/м2, HB=255-269 . При повышении температуры отпуска значения σВ, σ0,2 и HB уменьшаются, а значения δ, ψ и KCU увеличиваются, и наоборот.

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

  1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990.
  2. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
  3. ГОСТ 1050-88. Сталь качественная и высококачественная. Сортовой и фасонный прокат, калиброванная сталь.
  4. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. — 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т II. Основы термической обработки/ Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 368 с.

Хромомарганцевые стали

Совместное легирование сталей хромом (0,9…1,2 %) и марганцем (0,9…1,2 %) позволяет получить достаточно высокую прочность и прокаливаемость (например, 40ХГ), однако они имеют пониженную вязкость, пониженный порог хладноломкости (от 20 0С до минус 60 0С). Введение титана снижает склонность к перегреву, а добавление бора увеличивает прокаливаемость.

Таблица 10 — Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей

Марка
стали
Прокаливается диаметр, мм sigmaв,
МПа
sigma0,2,
МПа
d,
%
y,
%
KCU,
МДж/м2
30X
40X
40XФА
40ХГТР
30ХГС
40ХН
30ХН3А
40ХН2МА
36Х2Н2МФА
38ХН3МФА
25-35
25-35
25-35
50-75
50-75
50-75
75-100
75-100
более 100
более100
900
1000
900
1000
1100
1000
1000
1100
1200
1200
700
800
750
800
850
800
800
950
1100
1100
12
10
10
11
10
11
10
12
12
12
45
45
50
45
45
45
50
50
50
50
0,7
0,6
0,9
0,8
0,4
0,7
0,8
0,8
0,8
0,8

Улучшение сталей в ООО КВАДРО

Мы производим по чертежам Заказчика или режимам термической обработки термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.), а так же иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).

Кроме улучшения стали мы производим и иные виды термической обработкиметаллов на заказ, например:

Хромокремнемарганцевые стали

Обладают высокой прокаливаемостью, прочностью, хорошей вязкостью. Применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивления хрупкому разрушению. Рекомендуется вводить до 3 % Ni. При большем содержании получается много остаточного аустенита. Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм используют стали марок 40ХН, 45ХН, 50ХН.

Хромоникелемолибденованадиевые стали

Кроме молибдена, добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Стали марок 38ХН3МФ и 36Х2Н2МФА применяют для деталей больших сечений (1000…1500 мм и более). В сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска — сорбит. Стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эти стали можно использовать при температурах 400…450 0С при изготовлении наиболее ответственных деталей турбин, компрессоров, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных турбовоздуходувных машин, детали редукторов и т.д.).

Источник