Виды и свойства улучшаемых сталей

Классификация и марки улучшаемых сталей

По условиям эксплуатации такие стали используются для ответственных деталей зубчатых передач – шестерён, валов-шестерён, зубчатых колёс, которые функционируют в условиях как обычных, так и циклических знакопеременных нагрузок.

Эксплуатационная стойкость может быть достигнута сочетанием двух схем термической обработки: упрочнением поверхностного слоя (закалка, причём не только пламенная, но и электрическая, с применением токов высокой частоты) при пластично-вязком внутреннем слое, который является своеобразной подложкой для поверхностных объёмов.

Типовые марки:

• Конструкционные среднеуглеродистые (35, 45) по ГОСТ 1060-2012;
• Легированные (преимущественно хромом, никелем и/или молибденом) среднеуглеродистые конструкционные марок 18ХГТ, 45Х, 40ХН, 45ХНМ, 35ХМ по ГОСТ 4543-91;
• Быстрорежущие типа Р9 или Р18 по ГОСТ 19265-73, применяемые для производства металлорежущей оснастки;
• Рессорно-пружинные средней упругости, например, 65Г по ГОСТ 14959-2016, которые используются для изготовления катков опорно-поворотных устройств грузоподъёмных кранов, или пружинных шайб ответственного назначения.

Почти все стали, пригодные для улучшения, отличаются плохой свариваемостью.

Сущность процесса улучшения

На первой стадии процесса улучшаемое изделие подвергается отжигу, цель которого – снять возможные внутренние напряжения. Диапазон температур отжига колеблется от 680…720⁰С (для инструментальных сталей) до 800…900⁰С – для конструкционных. С ростом процентного содержания углерода температуру отжига снижают.

Закалка проводится при тех же режимах, что и для одностадийных упрочняющих операций термообработки (от 900 до 1200⁰С), но после закалки обязательно следует высокий отпуск, температура которого не должна быть ниже 500…700⁰С.

Термообработке поддаются улучшаемые конструкционные стали, для работы которых необходимо сочетание прочности и вязкости, что обеспечивает такая результирующая структурная составляющая как сорбит. Представляя собой зернистый перлит с наличием некоторого количества остаточного аустенита, структура сорбита обязательна именно в поверхностных и подповерхностных слоях.

Для улучшения структуры и уменьшения деформации при термообработке закалку проводят в масле. Это снижает коробление (особенно в деталях, резко неравномерных по своему поперечному сечению) и способствует повышению точности улучшаемых изделий.

Отпуск чаще всего производится на спокойном воздухе при температуре 580…650⁰С.

• Среди эксплуатационных преимуществ процесса улучшения:
• Максимально возможная твёрдость после закалки;
• Высокая ударная вязкость;
• Однородность свойств по всем направлениям;
• Малая чувствительность к знакопеременным нагрузкам.

Важнейшее значение для соблюдения технологии улучшения имеет режим отпуска, влияющий на твёрдость детали. Отпуск пружинных сталей ведётся при 450…550°C, итоговая твёрдость не превышает 42…45 HRC. С повышением температуры отпуска до 550…650⁰С твёрдость достигает 62…65 HRC, что характерно для быстрорежущих сталей.

Закалка при улучшении обычно выполняется в печах, оснащённых опцией защитного газа. Защитный газ предотвращает окисление поверхности во время термообработки, что важно для высокотемпературных термических печей периодического действия.

Для некоторых видов улучшаемых изделий большое значение имеет время выдержки при температуре отпуска; увеличенное время выдержки будет соответствовать более высокой температуре.

В зависимости от марки стали в определенных температурных интервалах может возникать такое опасное явление, как отпускная хрупкость. Области отпускной хрупкости устанавливаются по данным марочников сталей.

Используемые технологии

Преимущественное распространение получили три варианта улучшения:

1. Закалка при повышенной температуре (в расплавленной соли или в горячем масле), которая способствует существенному снижению деформации деталей. Этот процесс используется в основном для легированных сталей и деталей с резкими перепадами сечений;
2. Аустенитизация – вариант, реализуемых для изделий с тонкими профилями. Используется для большинства марок средне- или высокоуглеродистых сталей, а также для габаритных деталей, изготовленных из легированных сталей. Аустенитизация требует высокотемпературной закалки и выдержки, обычно в расплаве соли, но зато минимизирует риск искажения формы, а образующаяся структура не требует последующего отпуска;
3. Закалка от обычных температур в воде или масле, но с последующим двухступенчатым отпуском: вначале при более высоких, а затем - при более низких температурах. Применяется для рессорно-пружинных сталей, у которых формирование сорбита отпуска затруднено.

Для улучшаемых инструментальных сталей вместо отпуска проводят отжиг, при этом температуру закалки (по сравнению с рекомендуемой) увеличивают на 20…30⁰С. Такую термообработку предусматривают после черновых металлорежущих операций.

Какая сталь – улучшаемая? Такой вопрос часто задают термисты, учитывая, что класс улучшаемых при термической обработке изделий чётко не выражен. По современным воззрениям, в расчёт преимущественно принимаются два критерия – прокаливаемость и хладноломкость.

Прокаливаемость

Каждая сталь имеет «предельный» размер сечения, выше которого невозможно достичь полной закалки (повышения твёрдости). Для обеспечения оптимальных свойств сечения требуется либо материал более высокого качества, либо повышение скорости охлаждения, возможно, даже с использованием охлаждающих сред с пониженной температурой (охлаждение в сплошном потоке).

Однако более высокая скорость закалки всегда увеличивает риск деформации или растрескивания, а быстрое охлаждение снижает ударную вязкость.

На прокаливаемость влияют следующие факторы:

• Процентное содержание алюминия и азота. Некоторые углеродистые и низколегированные стали содержат более 0,3… 0,5 % алюминия (добавляется для раскисления), что снижает твёрдость после закалки. Таким же является и влияние азота;
• Наличие неконтролируемой атмосферы внутри закалочной печи. В печах с защитной атмосферой прокаливаемость всегда повышается;
• Наличие в химическом составе никеля и хрома, при высоких температурах закалки уменьшает глубину закалённого слоя, а при повышении скорости охлаждения способствует отпускной хрупкости. Чтобы сохранить требуемую сорбитную структуру, отпуск ведут при максимально возможных температурах. Если показатели твёрдости неудовлетворительны, прибегают к нагартовке в холодном состоянии.

Для сталей с повышенным содержанием углерода (быстрорежущих) на прокаливаемость влияет также поверхностное обезуглероживание.

Хладноломкость

Хладноломкость представляет собой явление пониженной пластичности материала при комнатных температурах. Опасность заключается в том, что внешне заготовка выглядит обычной, но при механической обработке коробится, а затем растрескивается. Особенно большой вред наносит хладноломкость деталям с тонкими рёбрами и полотнами, которые изготовлены из высокоуглеродистых сталей.

Для снижения эффекта хладноломкости требуется увеличить вязкость материала изделия. Критерием служит параметр интенсивности падения ударной вязкости, который называется температурой перехода из пластичного в хрупкое состояние. Обычно этот показатель составляет около -75°C. Падение вязкости с температурой происходит тем интенсивнее, чем больше углерода в стали.

На хладноломкость влияет также наличие мартенситной структуры, а также повышенный процент серы и фосфора в жимсоставе. Если изменить режим улучшения невозможно, следует либо заменить материал, либо конструктивным образом избавиться от участков, имеющих тонкие и острые кромки.

Механические свойства после улучшения

Для некоторых, наиболее употребительных марок сведены в таблицу:

Сферы применения

Улучшаемыми являются стали, из которых производят:

• Ответственные детали тяжелонагруженных зубчатых и реечных передач, работающие в условиях ударных и реверсивных нагрузок;
• Изделия с тонкими полотнами и поперечными сечениями, которые существенно разнятся по зонам;
• Металлорежущий инструмент с острыми кромками, преимущественно из быстрорежущих сталей;
• Контрольно-измерительные приспособления повышенной точности;
• Средненагруженные рессоры и пружины.

Улучшению подвергают и другую продукцию из среднеуглеродистых сталей, для которых важно иметь сорбитную микроструктуру.