Виды и свойства улучшаемых сталей
Во многих случаях от конструкционных сталей требуется оптимальное сочетание хорошей твёрдости с достаточной вязкостью сердцевины. Такой структурой обладают улучшаемые стали, как легированные, так и нелегированные. Их характерная особенность – содержание углерода в диапазоне 0,3…0,6%. Само улучшение представляет собой процесс комбинированной термической обработки, который включает закалку с последующим высоким отпуском, благодаря которому в структуре материала, наряду с аустенитом и мартенситом присутствует также значительное количество пластичного сорбита.
Преимущественное распространение получили три варианта улучшения:
- 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;
- 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;
- 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:
| Материал | Предел прочности, МПа | Предел пластичности, МПа | Относительное удлинение, % | Ударная вязкость, МДж/м2 | Диапазон хладноломкости, 0С |
| 45 | 610 |
370 |
16 | 0,5 | 0…-75 |
| 40Х | 1000 | 800 | 9 | 0,4 | -20…-60 |
| 30ХГСА | 1100 | 850 | 10 | 0,5 | -20…-60 |
| 40ХН | 1000 | 800 | 11 | 0,7 | -30…-100 |
| 40ХН2МА | 1100 | 950 | 12 | 0,8 | -40…-120 |
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.
