Виды термической и химико-термической обработки стали

Процессы термической обработки стали заключаются в ее нагреве и охлаждении, что вызывает изменение внут­реннего строения, а следовательно, и свойств. К основ­ным видам термической обработки относятся отжиг, нор­мализация, закалка, отпуск, патентирование и термоме­ханическая обработка.

Отжиг— это нагрев металла до 200—1200°С, дли­тельная выдержка при этой температуре и медленное (иногда вместе с печью) охлаждение. В зависимости от исходного состояния стали и температуры нагрева раз­личают полный, неполный, низкий, изотермический, сфе-роилизирующий, гомогенизационный, рекристаллизацион-ный отжиг, а также отжиг для снятия остаточных напря­жений.

Полный отжиг применяется для сортового про­ката, поковок и фасонных отливок из стали с целью со­здания мелкозернистой структуры, повышения вязкости и пластичности. Температура нагрева 730—950°С.

Неполный отжиг применяется для снижения твердости сталей и улучшения их обрабатываемости ре-заньем. Он осуществляется при температурах 730—950 °С.

Изотермический отжиг (930—950 °С) ис­пользуют обычно для штамповок, заготовок инструмен­тов и других изделий небольшого размера из легирован­ных сталей с целью улучшения обрабатываемости реза-ньем и повышения чистоты поверхности.

Низкому отжигу (650—680 °С) подвергается обычно сортовой прокат из легированной стали (для сни­жения твердости) или углеродистые стали, если они пред­назначены для обработки резаньем, холодной высадки или волочения.

Сфероидизирующий отжиг (750—820 °С) проводится для снижения твердости, повышения показа­телей относительного удлинения и сужения.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг (1100—1200 °С) применяется для слитков и крупных отливок из легированной стали с целью умень­шения ликвации, рекристаллизационный (650—760 °С) —для устранения наклепа и повышения пластичности стали, деформированной в холодном со­стоянии,

Отжиг для снятия остаточных напря­жений (200—700 °С) применяют для уменьшения внут­ренних напряжений изделий, полученных литьем, свар­кой, резаньем и др.

Нормализация— это нагрев стали до 850—950 °С, не­продолжительная выдержка и охлаждение на воздухе. В результате измельчается зерно полученных при литье, прокатке, ковке или штамповке изделий и заготовок. Нор­мализация широко применяется вместо отжига и закалки.

Закалка — это нагрев стали до 227—860 °С, выдерж­ка и быстрое охлаждение в воде, масле или другой среде. Ее применяют для повышения твердости, износостойко­сти и прочности инструментальных сталей, а также проч­ности, твердости, достаточно высокой износостойкости и пластичности конструкционных сталей. Основные пара­метры закалки — температура нагрева и скорость охлаж­дения. Последняя оказывает решающее влияние на ре­зультат закалки.

Для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия при сохранении вязкой и восприимчивой к ударным нагрузкам его серд­цевины осуществляют поверхностную закалку. Наиболее часто применяется поверхностная закалка с индукцион­ным нагревом током высокой частоты. Для этого изделия помещают в переменное магнитное поле. Нагрев осуще­ствляется вследствие теплового действия индуктируемо­го в изделие тока. Поверхностной индукционной закалке, как правило, подвергаются углеродистые стали с содер­жанием углерода от 0,4 до 0,5 %.

Чтобы уменьшить хрупкость и внутренние напряже­ния, вызванные закалкой, а также получить сталь с опти­мальным сочетанием прочности, пластичности и ударной вязкости, ее подвергают отпуску. Этот процесс представ­ляет собой нагрев металла до 200—680 "С, выдержку и последующее охлаждение с определенной скоростью.

Различают отпуск низкотемпературный (для режущего и мерительного инструмента»з углеродистых и низколегированных сталей), среднетемгературный (для пружин и штампов) и высокотемпературный (для среднеуглеродистых конструкционных сталей, к ко­торым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости).

П агентирование — это процесс нагрев! стали до 870— 950 °С, охлаждения до 450—550 °С, длтельной выдерж­

ки при этой температуре и дальнейшего охлаждения на воздухе или в воде. Патентирование проводится для улуч­шения пластичности проволоки перед последующим ее волочением.

Термомеханическая обработка представляет собой со­четание пластической деформации (прокатки, ковки, штамповки и других способов обработки давлением) и закалки. В результате одновременно повышается сопро­тивление пластической деформации и разрушению.

Химико-термические методы обработки стали пред­полагают изменение не только структуры, но и химичес­кого состава ее поверхности. Это осуществляется диффу­зионным насыщением поверхностного слоя соответствую­щими элементами, т. е. нагревом стального изделия до заданной температуры и выдерживанием его в среде этих элементов. Наиболее распространенными видами хими­ко-термической обработки являются цементация, азоти-рование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование и диффузионная металлизация.

Цементация (науглераживание) — это процесс насы­щения поверхности стали углеродом при температуре 930—950 °С. После цементации изделия подвергаются за­калке и низкому отпуску. В результате их поверхность становится более твердой (при температурах до 200— 225 °С), износостойкой, выносливой при изгибе и круче­нии. Цементация проводится в твердой или газообразной насыщающей среде (карбюризаторе). В качестве твердо­го карбюризатора используется древесный уголь или ка­менноугольный полукокс и торфяной кокс с углекислым барием и кальцинированной содой. В качестве газообраз­ного карбюризатора используют природный газ.

Азотирование — это процесс насыщения поверхности стали азотом при нагреве до температуры 500—650 °С в среде аммиака. Посредством азотирования поверхности стали придается высокая твердость (сохраняется при на­греве до температуры 450—550 °С), износостойкость, со­противление коррозии.

Нитроцементация — это процесс насыщения поверх­ности стали одновременно углеродом и азотом при 840— 860 °С в среде природного газа и аммиака. В результате повышается твердость и износостойкость поверхностного слоя стальных деталей.

Цианирование — это процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 820—950 °С

в расплавленных цианистых солях для повышения ее твердости, износостойкости и предела выносливости.

Борирование — это процесс насыщения поверхности стали бором при 850—950 °С для повышения ее твердо­сти, абразивной, коррозионной износостойкости и тепло­стойкости.

Силицирование — это процесс насыщения поверхно­сти кремнием. Силицированный слой стали отличается высокой коррозионной стойкостью в морской воде, хими­ческой стойкостью в азотной, серной и соляной кислотах, а также устойчивостью против износа.

Диффузионная металлизация — это процесс насыще­ния поверхности стали алюминием, хромом, цинком и другими металлами, придающими ей те или иные свой­ства. Насыщение алюминием (алитирование) произво^-дится для повышения окалиностойкости и коррозионной стойкости в атмосфере и морской воде. Насыщение хро­мом (хромирование) обеспечивает коррозионную стой­кость в морской и пресной воде, азотной кислоте, окали-ностойкость, повышение твердости и износостойкости. Насыщение цинком (цинкование) применяется для по­вышения коррозионной стойкости в атмосфере, бензине, маслах и горючих газах, содержащих сероводород.

Классификация и ассортимент стали

Различные виды стали рассматривают в зависимости от особенности ее производства, химического состава, раскисления, качества, назначения и др. (рис. 11).

При этом основным признаком классификации стали является ее химический состав. По этому признаку сталь подразделяется на углеродистую и легированную.

Углеродистой называется сталь, не содержащая ка­ких-либо специальных добавок. Она выпускается кон­струкционная и инструментальная. Конструкционная уг­леродистая сталь содержит 0,1-0,85 % С и применяется для изготовления конструкций, сооружении, деталей ма­шин, инструментальная (0,65-1,4 % С) —режущего, из­мерительного, штамповочного и других видов инстру­мента.

Конструкционная углеродистая сталь изготавливается

обыкновенного качества, качественная, а также повышен­ной и высокой обрабатываемости резаньем (автоматная). Г.тяль углеподистая обыкновенного ка­

чества (ГОСТ 380—71) применяется для изготовления сварных и клепаных конструкций в строительстве и ма­шиностроении. В зависимости от гарантируемых харак­теристик качества она подразделяется на три группы по­ставки — А, Б и В (табл. 10).

Сталь группы А поставляется по механическим свой­ствам. Для сталей этой группы химический состав не регламентируется, так как детали, изготавливаемые из нее, не подвергаются горячей обработке (ковке, сварке, термической обработке). Чем больше номер марки, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

В зависимости от нормируемых показателей (механи­ческих свойств) сталь группы А подразделяется на три категории.

Сталь группы Б поставляется по химическому соста­ву. Для сталей этой группы механические свойства не регламентируются. Так как известен химический состав, детали из стали группы Б можно подвергать термической обработке.

В зависимости от нормируемых показателей (механи­ческих свойств) сталь группы Б подразделяется на две категории.

Сталь группы В поставляется по механическим свой­ствам с дополнительными требованиями по химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей (ме­ханических свойств) она подразделяется на шесть кате­горий.

В маркировке: Б и В — группы стали (группа А в маркировке не обозначается), Ст—сталь, цифры—ус­ловный номер марки в зависимости от химического со­става и механических свойств.

Сталь углеродистая обыкновенного ка­чества выпускается кипящая, полуспокойная и спо­койная, что обозначается соответственно буквами кп, пс и сп, записываемыми после условного номера марки. Например, Ст5пс, СтЗкп. Буква Г указывает на повы­

шенное содержание марганца (СтЗГпс), цифра в кон­це — номер категории (СтЗпс-2; БСтЗ-2). Для сталей пер­вой категории цифра в конце не проставляется.

Сталь углеродистая качественная {ГОСТ 1 ОКО—74) используется в основном в машино-стооении. По сравнению со сталью обыкновенного ка­чества к ней предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей, особенно фосфора и серы. Так, в качественных сталях всех марок содержание сепьт допускается не более 0,04%, фосфора—не более 0,035 %.

Сталь углеродистая качественная кон­струкционная выпускается марок 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35. 40, 45, 50, 55, 58,'fiO, кипящая (КП), полуспокой­ная (ПС) и спокойная (СП). Цифра в обозначении маоки указывает на среднее содержание углерода в сотых до­лях ппопента.

По тпебованиям к испытанию механических свойств сталь выпускается пяти категорий, а по назначению — трех подгрупп: а — для горячей обработки давлением, б — для холодной обработки давлением ив — для холод­ного волочения, что отражается в маркировке. Например, ЗО-а-2, где 30 — марка стали, а — подгруппа, 2 — кате­гория.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резаньем (ГОСТ 1414—75 Е) предназначена для массового изго­товления на металлорежущих станках-автоматах различ­ных машиностроительных деталей. Поэтому она называ­ется также автоматная. Выпускается эта сталь по состоянию металла трех подгрупп: а—для горячей об­работки давлением, —для механической обработки, в— для холодного волочения, по химическому составу — ше­сти групп.

В маркировке: А — автоматная, С — свинец, Е — се­лен, X — хром, Г — марганец, Н — никель, М — молиб­ден, цифра — среднее содержание углерода в сотых до­лях процента.

Сталь инструментальная углеродистая выпускается марок У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, УНА, У12А, У13А. В маркировке: У— углеродистая, А — высококачественная, Г — с повышен­ным.содержанием марганца, цифра—среднее содержа­ние углерода в десятых долях процента.

Для придания сталям требуемых характеристик при­меняется легирование,

Легированной называется сталь, в состав которой вводятся добавки (легирующие элементы) в количествах, заметно изменяющих ее структуру, а следовательно, и свойства.

Химический состав легированной стали является ос­новным показателем, определяющим ее качество, области применения, стоимость, поэтому он отражается в ее на­именовании и маркировке.

В наименовании легированной стали обозначают толь­ко основные, входящие в состав стали легирующие эле­менты без указания их количества, например сталь мар­ганцовистая, хромоникелевая, хромомолибденовая и др.

Маркировка легированной стали буквенно-цифровая. Первая одно- или двузначная цифра указывает на сред­нее содержание углерода в десятых или сотых долях про­цента. Если углерода в стали менее 0,04 %, то ставится знак 00, если менее 0,08 % — 0. При содержании углеро­да 1 % и более цифра вначале не проставляется.

Буквы маркировки указывают наименование легиру­ющих элементов: М — молибден, Г — марганец, С — кремний, Х — хром, Н — никель, Т — титан, В — воль­фрам, Ф—ванадий, А—азот, Ю—алюминий, К—ко­бальт, Ц — цирконий, Б — ниобий, П — фосфор, Р — бор, Д — медь, Е — селен. Цифры, следующие после букв, обозначают среднее содержание данных легирующих эле­ментов (в процентах). Отсутствие цифры указывает на то, что их содержание в стали менее 1,5%. Буква А в конце маркировки означает высококачественную легиро­ванную сталь, т. е. более чистую по содержанию серы и фосфора.

В маркировке некоторых легированных сталей внача­ле проставляются буквы, укаяьтвян-пттмр и a uv гггчлипт..-"."»

Например, Р—быстрорежущие, Ш—шарикоподшипни­ковые, Э — электротехнические, Е — для постоянных маг­нитов. В быстрорежущих сталях цифра, следующая по­сле буквы Р, указывает среднее содержание вольфрама (в процентах).

Для обозначения марок стали, подвергнутых перепла­вам, применяются буквы, проставляемые через тире после индексации, характеризующие химический состав. На­пример, Ш — электрошлаковый переплав, ВД — вакуум-нодуговой переплав, ЭЛ — электронно-лучевой переплав, ПД — плазменно-дуговой переплав, ВН — вакуумно-ин-дукционная плавка, ШД—электрошлаковый и вакуум-но-дуговой переплав, ШЛ — электронно-лучевой и элек­трошлаковый переплав и т. д.

Легированные стали выпускаются конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные легированные стали производятся качественные и высококачественные, в зависимости от со­держания углерода — низкоуглеродистые (до 0,3 % С) и среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С), а по содержанию легирующих элементов — низколегированные и средне-легированные.

Конструкционная низколегированная сталь (ГОСТ 19281—73) содержит не более 0,22 % С и до 3—4 % легирующих элементов. Она используется в виде листов, сортового фасонного проката в строитель­стве и машиностроении, хорошо сваривается. Марочный состав этой стали насчитывает 28 марок (09Г2, 09Г2Д, 12ГС, 09Г2СД, 10Г2С1Д, 15ГФ, 15ГФД, 15Г2СФД, 14Г2АФ, 18Г2АФпс, 10ХНДП и др.).

Конструкционная среднелегированная сталь (ГОСТ 4543—71) выпускается цементуемая (не более 0,3% С) и улучшаемая (0,3—0,5% С), т. е. ис­пользуемая после закалки и высокого отпуска (улучше­ния). Марочный сортамент конструкционной среднелеги-рованной стали включает 13 групп и свыше 80 марок.

В зависимости от химического состава и свойств кон­струкционная легированная сталь делится на категории качественная, высококачественная — А; особовысокока-чественная — Ш (сталь электрошлакового переплава);

по назначению—на подгруппы: а—для горячей обра­ботки давлением (кроме осадки, высадки, штамповки), б — для холодной механической обработки по всей по­верхности, в — для холодного волочения (подкат) иг — для горячей осадки, высадки и штамповки, а по состоя­нию материала — без термической обработки, термичес­ки обработанная (Т) и нагартованная (Н).

Инструментальные легированные стали по сравнению с углеродистой отличаются большей теплостойкостью и прокаливаемостью, поэтому могут использоваться при высоких скоростях резанья и для обработки твердых ме­таллов. Так, стойкость инструмента из быстрорежущей стали в 10—30 раз, а скорость резания—в 2—4 раза больше, чем из углеродистой.

Для изготовления режущего инструмента использу­ются стали, где основной легирующий элемент — хром (15Х, 9ХС1, ХВГ, ХВСГ) или молибден (Р12, PI8, Р6М5, Р8МЗ, Р8МЗК6С, Р9Ф5, Р14Ф4, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2).

Стали легированные вольфрамом, а также кобальтом,

Дата добавления: 2014-01-11