Анализ изотермических и термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита и выбор режимов термической обработки для патрубка из стали 30Г2 и главного шатуна из стали 12Х2Н2

Анализ изотермических и термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита и выбор режимов термической обработки для патрубка из стали 30Г2 и главного шатуна из стали 12Х2Н2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

Кафедра материаловедения им. Ю.Н. Тарана

Курсовая работа

по дисциплине: «Легированные стали»

по теме: «Анализ изотермических и термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита и выбор режимов термической обработки для патрубка из стали 30Г2 и главного шатуна из стали 12Х2Н2»

Выполнила:

Либухова О.О.

Проверил:

Елагин А.С.

г. Днепропетровск, 2013 г.

Содержание

Введение

1. Фазовый состав, структура, свойства и назначение сталей 30Г2 и 12Х2Н2

.1 Общие положения

.2 Фазовый состав структура, свойства и назначение сталей 30Г2

.3 Фазовый состав структуры, свойства и назначение сталей марки 12Х2Н2

. Режимы термической обработки сталей 30Г2 и 12Х2Н2

.1 Виды термической обработки стали 30Г2

.2 Виды термической обработки стали 12Х2Н2

. Описание и анализ диаграмм изотермического распада аустенита

.1 Общее описание диаграмм изотермического распада аустенита

.2 Описание изотермической диаграммы для стали 30Г2

.3 Описание термокинетической диаграммы для стали 12Х2Н2

. Термическая обработка изделий изготовленных из стали марок 12Х2Н2 и 30Г2

.1 Термическая обработка патрубка из стали 30Г2

.2 Термическая обработка главного шатуна из стали 12Х2Н2

Выводы

Литература

Введение

Сегодня нельзя представить отрасль промышленности и техники, которая обходилась бы без сталей. Однако стали имеют большое ограничение для применения из-за своих свойств и характеристик. Этот недостаток исправляется легированием, что дает класс совершенно новых и уникальных по многим параметрам сталей - легированные стали.

Благодаря своим уникальным свойствам эти стали применяются в агрессивных средах, работают под большими нагрузками, а так же в других специальных условиях.

Для успешного применения деталей из легированных сталей необходимо знать ее параметры. Такие как состав стали, критические точки на диаграмме распада пересыщенного твердого раствора. Это позволит правильно выбрать термическую обработку.

1. Фазовый состав, структура, свойства и назначение сталей

.1 Общие положения

Легированные стали - это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработке требуемую структуру и свойства. Около 10% всей выплавленной стали является легированной.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемой структуры, физико-химических и механических свойств. Легированные стали обладают рядом специфических свойств: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Cr, Ni, Si, Mn, Mo, W, V, Ti, Co, Al, Zr,Cu. В некоторых сталях легирующими элементами также могут быть P, S, N, Se, Te, Pb, Ge, La и другие. Эти элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi могут быть также примесями в сталях. Содержание легирующих элементов может колебаться в пределах от тысячных процента до десятков %.

При легировании особенно сильно повышается предел текучести, относительное сужение, ударная вязкость. Легирующие элементы (л.э.) уменьшают критическую скорость закалки, повышая прокаливаемость. После термической обработки (ТО) легированные стали имеют более мелкое зерно и более мелкие дисперсные структуры.

Однако высокое легирование может ухудшать обрабатываемость резанием, свариваемость, повысить порог хладноломкости.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обосновано.

Достоинство легированных сталей:

особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергающиеся термической обработке;

улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям (σ_Т);

легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

возможность использования более «мягких» охладителей (снижает брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

повышается запас вязкости и сопротивление хладноломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки легированных сталей:

подвержены обратимой отпускной хрупкости 2 рода;

высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы - междендритный материал - обогащаются легирующим элементов. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

склонны к образованию флокенов.

Основные легирующие элементы сталей - марганец, кремний, хром, никель, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, алюминий, бор, редкоземельные металлы (церий, лантан, и др.), азот.

В соответствии с принятой классификацией по действию на аллотропические модификации железа эти элементы делятся на 2 группы.

Первая группа объединяет элементы, расширяющие область γ-фазы. В эту группу, кроме углерода и азота, образующих твердые растворы внедрения, входят также элементы, образующие растворы замещения (никель, марганец, кобальт).

Вторая группа объединяет легирующие элементы, уменьшающие область γ-фазы (кремний, хром, алюминий, титан, ванадий, ниобий, молибден, вольфрам).

По отношению к углероду легирующие элементы можно распределить на три группы.

.        Графитизирующие элементы, к которым относятся кремний, никель, медь, алюминий. При значительном содержании в стали никеля, меди и особенно кремния протекает процесс графитизации, в результате которого цементит распадается на железо и графит. Эти элементы во всех случаях находятся в твердом растворе.

.        Нейтральные элементы, к которым относится кобальт. Кобальт в стали не образует карбидов и не вызывает графитизации. Находится в твердом растворе.

.        Карбидообразующие элементы, которые по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз располагаются в следующем порядке : Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr.

При малом содержании карбидообразующих элементов Mn, Cr, W, Mo растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Более сильные карбидообразующие элементы (V, Ti, Nb, Zr) практически не растворяются в цементите и даже при самом небольшом своем содержании образуют специальные карбиды TiC, NbC, CrC, VC и др.

Влияние легирующих элементов на свойства стали заключается в основном в воздействии их на характер превращения переохлажденного аустенита и на состав карбидных или интерметаллидных фаз, образующихся в стали и выделяющихся в процессе распада мартенсита при отпуске.

Легирующие элементы, влияя на устойчивость переохлажденного аустенита, могут повышать или снижать (при введении кобальта) прокаливаемость стали, изменяя тем самым механические свойства изделий повышенных сечений.

Если в стали при отпуске выделяются специальные карбиды или интерметаллиды, сталь приобретает устойчивость против отпуска, а также повышенную твердость, прочность и износостойкость. Влияние некоторых легирующих элементов на фазовый состав, критические точки и свойства стали показано в таблице 1.1.

Сталь конструкционная легированная в зависимости от содержания углерода в стали делятся на цементуемые (низкоуглеродистые) и улучшаемые (среднеуглеродистые). Одно из основных отличий этих сталей от углеродистых сталей - более глубокая прокаливаемость, что позволяет получать высокие механические свойства в больших сечениях. Особенности структурных превращений этих сталей позволяют для получения нужных свойств широко использовать не только все виды термической и химико-термической обработки, но также применять при достаточном легировании термомеханическую обработку, с помощью которой можно достигать весьма высоких механических свойств.

Сталь легированную поставляют в соответствии с ГОСТ 4543-71.

В зависимости от содержания примесей, а следовательно, и свойств различают сталь:

а) качественную,

б) высококачественную,

в) особо высококачественную (электрошлакового переплава);

а) для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат),

б) для холодной механической обработки по всей поверхности;

в зависимости от вида обработки:

а) горячекатаную,

б) кованую (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью) диаметром или толщиной до 250 мм,

в) калиброванную,

г) круглую со специальной отделкой поверхности (серебрянку);

в зависимости от заказа - на поставляемую как в горячекатанном, так и в термически обработанном состоянии (отожженную, высокоотпущенную или нормализованную с высоким отпуском);калиброванную и серебрянку в нагартованном или термически обработанном состоянии (отожженную, отпущенную, закаленную и отпущенную).

.2 Фазовый состав структура, свойства и назначение стали 12Х2Н2

Сталь 12Х2Н2 - конструкционная, среднелегированная, цементованная (низкоуглеродистая), класс ферритный, фазовый состав Ф+П. Ее химический состав представлен в следующей таблице.

Таблица 1.1 Химический состав стали 12Х2Н2

Легирующие элементы за исключением Mn затрудняют возрастание размеров аустенитного зерна при нагреве. Влияние некарбидообразующих элементов (в данном случае это Si и Ni) в этом отношении сравнительно слабо; карбидообразующий элемент Cr сильно препятствует росту зерна аустенита, причем степень этого влияния пропорционально устойчивости их карбидов (и оксидов).

Также упомянутые выше легирующие элементы сдвигают кривые на диаграммах изотермического превращения вправо, иначе говоря, увеличивают его устойчивость и способствуют улучшению прокаливаемости.

Посредством количественной оценки прокаливаемости методом определения идеального критического диаметра можно установить, что наиболее активным среди других элементов оказывается Cr, затем следуют Mn, Si и Ni. Сильнее других элементов прокаливаемость углубляет Мо.

Легирующие элементы не оказывают влияния собственно на механизм мартенситного превращения, который остается одинаковым для разных сталей. Однако они изменяют температурный интервал аустенитно-мартенситного превращения, что приводит к изменению количества остаточного аустенита, фиксируемого закалкой. Влияние различных легирующих элементов (в том числе и интересующих нас Mn, Si, Ni, Cr) на положение мартенситной точки и на количество остаточного аустенита в стали с содержанием углерода 0,76-1 % характеризуется кривыми на рисунке 1.1 - 1.2.

Рисунок. 1.1. Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали.

Рисунок 1.2. Влияние легирующих элементов: а - на температуру мартенситной точки М_Н; б - на количество остаточного аустенита в закаленной стали (по оси абсцисс - содержание легирующего элемента).

Растворение легирующих элементов в α-железе происходит путем замещения в узлах его решетки атомов железа атомами легирующего элемента. Различие в атомных размерах железа и легирующего элемента ведет к изменению параметра α-решетки (рисунок 1.3).

В сталях, легированных Mn, Ni, Cr, полученной закалкой упрочнение сохраняется до высоких температур отпуска, что определяет различные свойства ферритной фазы в улучшенной и нормализованной стали, легированной различными элементами.

Рисунок. 1.3. Изменения параметра решетки α-железа в зависимости от концентрации легирующего элемента в твердом растворе.

Свойства легированного феррита после охлаждения на воздухе, а также после закалки в воде и отпуска при 550⁰С, характеризующие свойства ферритной фазы в нормализованной или улучшенной стали, приведены в таблице. 1.2.

Таблица 1.2 Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита

Легированные элементы оказывают сильное влияние на механические свойства стали. Легированные конструкционные (машиностроительные) стали широко применяются благодаря более высоким механическим свойствам по сравнению с углеродистыми (особенно для деталей больших сечений).

Можно сравнивать изменение определенного показателя механических свойств в функции содержания в стали того или иного легирующего элемента при условии идентичности предшествующей термической обработки. Однако различие в свойствах при этом будет в действительности обусловлено различием в структуре. Вследствие неодинаковой способности к переохлаждению аустенита или различной стойкости против отпуска стали с разным содержанием элемента будут иметь и различную структуру. Таким образом, для оценки влияния легирующих элементов на свойства стали пригодны лишь качественные характеристики.

Детали, изготовленные из легированных сталей, обладают более высоким комплексом механических свойств. Это следует понимать таким образом, что образцы, вырезанные из этих деталей (или сами детали при натурных испытаниях), имеют более высокое значение прочности при одинаковой пластичности и вязкости или более высокое значение пластичности и вязкости при одинаковом значении прочности, или, наконец, более высокий уровень всех свойств в сравнении с образцами или деталями, изготовленными из углеродистой стали. Повышение комплекса механических свойств обусловлено рядом причин, из которых важнейшими являются следующие.

а) Легирующие элементы замедляют распад аустенита. В результате этого детали, изготовленные из легированных сталей, прокаливаются на большую глубину. После следующей термической операции обеспечивается получение значительной зоны структур отпуска, которым присущи более высокие механические свойства, чем сходным структурам, образующимся в результате непосредственного распада аустенита при закалке (в верхнем районе субкритических температур).

Пониженная в результате влияния легирующих элементов скорость распада аустенита позволяет при закалке производить охлаждение в масле или в горячих средах, а при относительно высоком содержании некоторых легирующих элементов - даже на воздухе. Это обеспечивает понижение закалочных внутренних напряжений.

б) Легирующие элементы замедляют процесс отпуска. С повышением температуры отпуска прочность всякой стали падает, а пластичность повышается. Однако в легированных сталях вследствие замедления процессов выделения и коагуляции карбидов для достижения заданного снижения прочности и твердости или заданного повышения пластичности требуется применить более высокую температуру отпуска. Такой отпуск в большей степени снимает внутренние напряжения; с повышением температуры отпуска улучшается сочетание прочности их и пластических свойств. Таким образом, применение легированных сталей дает возможность получить более высокий комплекс механических свойств.

в) Легирующие элементы измельчают зерно. Многие легирующие элементы задерживают рост зерна аустенита, в особенности при перегреве выше критической точки Ас1. Более мелкое зерно при прочих равных условиях ведет к заметному повышению ударной вязкости и понижает температуру перехода стали в хрупкое состояние.

г) Легирующие элементы упрочняют феррит. Феррит, содержащий в растворе легирующие элементы, как было рассмотрено выше, обладает иными свойствами, чем чистый феррит. Так, например, наличие в растворе α-железа таких элементов, как никель, способствует повышению его прочности и вязкости.

Введение в хромоникелевую сталь молибдена имеет целью устранение или уменьшение склонности к отпускной хрупкости, измельчение зерна и дальнейшее снижение критической скорости охлаждения. Улучшение механических свойств и увеличение прокаливаемости делает хромоникельмолибденовые стали пригодными для изготовления наиболее ответственных деталей в машиностроении. Хромоникельмолибденовые и хромоникелевольфрамовые стали при эквивалентном содержании молибдена и вольфрама и равном содержании остальных элементов являются взаимозаменяемыми.

Так как сталь марки 12Х2Н2 цементованная следовательно ее свойства более высоки. Благодаря повышенному содержанию углерода на поверхности сталь характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению при ударно-усталостных нагрузках, оптимальным сопротивлением усталостному разрушению при изгибе, повышенным пределом выносливости на сравнительно небольшую глубину, пониженной чувствительностью к концентраторам напряжения (это является следствием образования в цементованном слое благоприятных остаточных напряжений сжатия). Но чаще всего контактная усталостная прочность (усталостное выкрашивание) с увеличением глубины слоя возрастает. Понижение контактной прочности с уменьшением глубины цементованного слоя проявляется тем сильнее, чем ниже твердость сердцевины.

Назначение сталь марки 12Х2Н2 как конструкционной стали это изготовлении различных высокоответственных деталей в машиностроении. Из стали данной марки изготавливают детали, подвергаемые как цементации с последующей термической обработкой, так и улучшаемые стали. Их стали марки 12Х2Н2 изготовляются такие детали как главный шатун, крышка шатуна, прицепной шатун, палец поршня, ответственные детали высокой прочности и вязкости, подвергающиеся динамическим нагрузкам при высоких требованиях к прочности сердцевины (взамен сталей 18Х2Н4МА и 20Х2Н4) для поковок сечением до 350 мм.

1.3 Фазовый состав структура, свойства и назначение стали 30Г2

Сталь 30Г2 относится к низколегированной конструкционной стали. Свойства и хим.состав приведены в таблицах 1.3-1.6.

Таблица 1.3 Химический состав

Таблица 1.4 Механические свойства

Таблица 1.5 Технологические свойства

Таблица 1.6 Температура критических точек

Очень часто необходимо изготовление деталей сложных конструкций, нестандартных конфигураций. В этом случае требуется материал, который достаточно легко и без нарушения собственной структуры и изменения свойств подвергается обработке. Именно таким и является металл марки 30Г2. Благодаря наличию в определенных концентрациях легирующих элементов изделия из нее отлично выдерживают знакопеременные нагрузки, а сам металл легко обрабатывается без изменения собственных свойств и характеристик.

Данную сталь применяют для изготовления прутков, поковок, бесшовных горячекатаных труб, трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные, термообработанные. В сталях этого класса прочности преобладает твердорастворимый механизм упрочнения. Определенный вклад вносит повышение устойчивости аустенита при легировании и получение более дисперсных продуктов его распада. Для проката толщиной 10-40 мм диаметр зерна феррита равен 20-50 мкм. Это обеспечивает низколегированным сталям хладностойкость, несмотря на высокую прочность. Стали повышенной прочности применяют в нормализованном состоянии. Нормализация приводит к большей стабильности механических свойств, улучшению характеристик пластичности, ударной вязкости и хладностойкости по сравнению с горячекатаным состоянием. При этом прочностные характеристики практически не изменяются.

2. Режимы термической обработки сталей

Термическая обработка стали - важнейшая технологическая операция. Ее цель изменение структуры и свойств сталей. В зависимости от химического состава сталей, размером поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин, в кузницах возможно применение следующих видов термической обработки сталей.

Отжиг состоит в нагреве сталей до определенной температуры, выдержке и затем очень медленном охлаждении, чаще всего вместе с горном или печью.

. Нагрев стали для отжига проводится в кузнечном горне или печи. Для того чтобы при нагреве в горне не допустить выгорания углерода с поверхности стали, поковки укладывают в металлические ящики, пересыпают их сухим песком, древесным углем или металлической стружкой и нагревают до температуры, необходимой для отжига данной марки стали. Продолжительность нагрева принимают в зависимости от размеров поковок - примерно по 45 минут на каждые 25 мм наибольшей толщины поперечного сечения. Нагрев выше температуры для отжига и длительная выдержка при этой температуре недопустимы, так как возможно образование крупнозернистой структуры, что резко уменьшит ударную вязкость металла.

. Охлаждение поковок можно осуществлять несколько быстрее, чем вместе с горном и печью, если воспользоваться следующими рекомендациями. Углеродистые качественные конструкционные стали следует охлаждать приблизительно до 600 °С на воздухе с целью получения мелкозернистой структуры, а затем, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений, охлаждение осуществлять медленно в печи или в ящике с песком или золой, установленном в горне. Инструментальные углеродистые стали следует охлаждать в печи или горне до 670 °С, а затем скорость охлаждения можно ускорить, открыв заслонки печи и удалив топливо из горна.

1. Полный отжиг состоит в нагреве сталей, содержащих углерода до 0,8%, до температуры выше линии SG на 30...50 °С, что отражено на диаграмме состояния железо - углерод, т. е. Ас3 + (30...50 °С), а сталей с содержанием углерода больше 0,8% до температуры вьше линии SIC на 30...50 °С, т.е. Act + (30...50 °C, выдержка при этой температуре до полного прогрева поковки и последующем медленном охлаждении вместе с горном или печью. Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50...150 градус/ч, а из легированных сталей - 20...60 градус/ч. В результате в металле снимаются внутренние напряжения, он становится более мягким и пластичным, но менее твердым.

. Низкий отжиг состоит в нагреве поковок до температуры, немного превышающей критическую 723 °С (примерно до 740...780 °С), с периодическим изменением температуры ниже и выше точки S и медленном охлаждении до 670 °С, после чего охлаждение можно ускорить. Такой отжиг применяют для уменьшения твердости, увеличения пластичности и улучшения обрабатываемости поковок из инструментальных сталей.

. Рекристаллизационный отжиг состоит в нагреве сталей до температуры 650...700 °С и охлаждении на воздухе. С помощью этого отжига снимают наклеп и исправляют структуру сталей, нарушенную во время ковки при низких температурах.

. Нормализационный отжиг (нормализация) состоит в нагреве поковок до температуры 780......950 °С, непродолжительной выдержке при ней и последующем охлаждении на воздухе. Нормализацию, как правило, применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи для исправления структуры перегретой стали (перегрева), измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием и получения при резании более чистой поверхности, а также общего улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации сталь получается несколько тверже и менее пластичной, чем после низкого отжига. Нормализация по сравнению с отжигом более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с горном или печью.

Закалка состоит в нагреве углеродистых сталей, содержащих углерода до 0,8%, до температуры выше линии SG на 20...40 °С (см. рисунок), т.е. Ас3 + (20...40 °С), а сталей с содержанием углерода более 0,8% до температуры выше линии SK на 20...40°С, т.е. Лс, + (20...40 °С), выдержке при этих температурах и охлаждении в охлаждающей среде о соответствующей скоростью охлаждения. Стали с содержанием углерода меньше 0,25% в результате закалки свои свойства изменяют незначительно, поэтому обычно их не закаливают. Закалку применяют для увеличения твердости, прочности и износостойкости деталей, получаемых из поковок. В практике обычно закаливают рабочие части различного технологического инструмента, измерительного инструмента, тяжелонагруженные и работающие на истирание детали машин.

Нагрев стали под закалку осуществляют в горнах или нагревательных печах. Детали в горны укладывают так, чтобы холодное дутье воздуха не попадало непосредственно на сталь. Нужно следить, чтобы нагрев происходил равномерно. Чем больше углерода и легирующих элементов содержит сталь, чем массивнее деталь и сложнее ее форма, тем медленнее должна быть скорость нагрева под закалку. Продолжительность выдержки при закалочной температуре ориентировочно принимается равной 0,2 от времени нагрева. Слишком длительная выдержка при закалочной температуре не рекомендуется, так как при этом интенсивно растут зерна и сталь теряет прочность. Охлаждение является исключительно важной операцией закалки, так как от него практически зависит получение требуемой структуры в металле. Для этого должно быть достаточное количество охлаждающей жидкости, чтобы температура во время нахождения в ней детали повышалась незначительно. Для достижения равномерной закалки нагретую деталь надо быстро погрузить в охлаждающую жидкость и перемешать ее в жидкости до полного охлаждения. Если закаливают только конец или часть изделия (например, лезвие топора), те его опускают в закалочную жидкость на требуемую глубину и перемещают вверх вниз, так чтобы не было резкой границы скорости остывания между закаливаемой и незакаливаемой частями изделия и не появились трещины в переходной части. Выбор охлаждающей среды зависит от марки стали, величины сечения детали и требуемых свойств, которые должна получить сталь после закалки. Стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,6% обычно охлаждают в воде, а с большим содержанием углерода - в масле. При этом следует учитывать конфигурацию деталей и их сечение. Детали со сложной конфигурацией, с резкими переходами от малого сечения к большому и массивные детали охлаждать в воде опасно, так как на них могут появиться трещины.

При закалке стали сложным является получение желаемого двухскоростного охлаждения ее. В интервале температур 650...450 °С требуется быстрое охлаждение со скоростью 20...30 °С/с. Это позволяет избежать коробления и трещин. Лучшей закалочной средой была бы двухслойная жидкость, в которой верхний слой - вода с температурой 18...28 °С, а нижний - машинное масло. Но, к сожалению, такую двухслойную жидкость получить нельзя, потому что масло всплывает на поверхность. При определенном навыке можно применять следующий режим охлаждения. На несколько секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести ее в масло. Ориентировочное время охлаждения в воде до переноса в масло составляет 1... 1,5 с на каждые 5...6 мм сечения детали. Такой способ охлаждения получил название «через воду в масло» или прерывистой закалки». Ее применяют для закалки инструмента из углеродистой стали.

При большом сечении детали наружные слои охлаждаются быстрее, чем внутренние, и поэтому твердость на поверхности получается больше, чем в середине. Углеродистые стали, например, стали 40 и 45, закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут частично закаленная зона и незакаленная сердцевина. Легирующие элементы - марганец, хром, никель и др. способствуют более глубокой закалке.

Некоторые детали нуждаются в большей прочности на поверхности при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. Такие детали рекомендуется подвергают поверхностной закалке. Один из самых простых способов такой закалки состоит в загрузке детали в печь с высокой температурой (950... 1000 °С), быстром нагреве поверхности до закалочной температуры и охлаждении с большой скоростью в проточной охлаждающей среде.

Часто закалку выполняют сразу после ковки без дополнительного нагрева, если температура поковки после ковки будет не ниже закалочной температуры.

Закалка может быть сильной, умеренной и слабой. Для получения сильной закалки в качестве охлаждающей среды применяют воду при 15...20 °С до погружения в нее детали и водные растворы поваренной соли и соды (карбоната натрия). Умеренная закалка получается при использовании воды со слоем масла толщиной 20...40 мм, нефти, мазута, мыльной воды, жидкого минерального масла, а также горячей воды. Слабая закалка получается, если применять в качестве охлаждающей среды струю воздуха или расплавленный свинец и его сплавы. Закалка требует внимания и умения. Плохая закалка может испортить почти готовые детали, т.е. привести к образованию трещин, перегреву и обезуглероживание поверхности, а также к желоблению (короблению), которое в значительной степени зависит от способа и скорости погружения детали в охлаждающую жидкость.

Закалка - не окончательная операция термической обработки, так как после ее сталь становится не только прочной и твердой, но и очень хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения. Эти напряжения достигают таких значений, при которых в поковках появляются трещины или детали из этих поковок разрушаются в самом начале их эксплуатации. Например, только что закаленный кузнечный молоток нельзя использовать, так как при ударах им о металл от него будут откалываться кусочки металла. Поэтому для уменьшения хрупкости, внутренних закалочных напряжений и получения требуемых прочностных свойств стали после закалки поковки подвергают отпуску. Отпуск состоит в нагревании закаленной стали до температуры ниже Ас1 (см. рисунок), выдержке при этой температуре некоторое время и быстрого или медленного охлаждения, как правило, на воздухе. В процессе отпуска в металле структурных изменений не происходит, однако уменьшаются закалочные напряжения, твердость и прочность, а пластичность и вязкость увеличиваются. В зависимости от марки стали и от предъявляемых к детали требований по твердости, прочности и пластичности применяют следующие виды отпусков.

. Высокий отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры 450...650 °С, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые стали охлаждаются на воздухе, а хромистые, марганцовистые, хромокремнивые - в воде, так как медленное охлаждение их приводит к отпускной хрупкости. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно уменьшается твердость и прочность стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом, создает наилучшее соотношение между прочностью стали и ее вязкостью. Такое сочетание термообработки называют улучшением. Улучшению подвергают сильнонагруженные детали машин, изготовленные из углеродистых сталей с содержанием углерода 0,3...0,5%.

. Средний отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры 300...450 °С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. При таком отпуске увеличивается вязкость стали и снимаются внутренние напряжения в ней при сохранении достаточно большой твердости. Он применяется для деталей машин, работающих в условиях трения и динамических нагружений.

. Низкий отпуск состоит в нагреве закаления детали до температуры 140...250 °С и охлаждении с любой скоростью. При таком отпуске почти не уменьшается твердость и вязкость стали, но зато снимаются внутренние закалочные напряжения. После такого отпуска детали нельзя нагружать динамическими нагрузками. Чаще всего его используют для обработки режущего и измерительного инструмента из углеродистых и легированных сталей. При изготовлении слесарного, кузнечного или измерительного инструмента ручной ковкой кузнецы часто применяют закалку и отпуск с одного нагрева. Такую операцию называют самоотпуском и выполняют следующим образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле не полностью, а до температуры несколько выше температуры отпуска, которую можно определить при извлечении поковки из закалочной среды, по цвету побежалости на предварительно обработанной на наждачном круге поверхности поковки. После этого поковку окончательно охлаждают путем погружения ее в воду или масло.

.1 Виды термической обработки стали 30Г2

Для данной конструкционной стали проводят отжиг, как одну из основных операций. Отжиг проводят при температуре 450-520 °С. После отжига сталь приобретает твердость 190-200HB. Так же для такой стали проводят нормализацию при температуре 845-875 °С с охлаждением на воздухе и отпуск 550-650 так же с охлаждением на воздухе. Из сталь 30Г2 можно получать изделия путем ковки. Температура ковки составляет 1250-800°С, охлаждают на воздухе для избегания коробления изделия. После ковки применяют нормализацию и отпуск.

.2 Виды термической обработки стали 12Х2Н2

Данная сталь содержит такие легирующие элементы как хром и никель. Это сильные карбидообразующие элементы, упрочняющие сталь. Поэтому для упрочнения такой стали используют полную и частичную закалку. Температура закалки выбирается в широком диапазоне в зависимости от назначения детали: от 760 до 860 °С. После закалки получают структуру мартенсита и сфероидизированных карбидов. Твердость такой стали достигает предела 280-300 HV. Для литых деталей применяют такую операцию, как низкий отпуск для деталей с сечением более 150 мм при температуре 180-200 °С с охлаждением на воздухе или в масле. Такая операция нацелена на снятие остаточных литейных напряжений и устранению химической ликвации - не равномерного распределения легирующих элементов по сечению слитка. Высокий отпуск проводят при температуре 630-650 °С с охлаждением на воздухе для деталей с сечением более 5 мм, твердость составляет 250-270 HB.

Так же для такой стали можно применить цементацию. Ее цель получить высокие характеристики износостойкости и твердости поверхности детали. Такую операцию проводят при 910 °С с последующей закалкой в масло, затем отпуск 180-200 °С.

3. Описание и анализ диаграмм изотермического распада аустенита

.1 Общее описание диаграмм изотермического распада аустенита

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас₃ (для доэвтектоидной стали) или выше А_ст (для эвтектоидной стали) переохладить до температуры ниже А_1, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для более точной оценки превращений, совершающихся при непрерывно меняющейся температуре, пользуются так называемыми термокинетическими или анизотермическими диаграммами превращений аустенита, диаграммами, характеризующими превращение аустенита при различных скоростях охлаждения. Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают до температуры ниже А₁ и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Результаты исследования при постоянной температуре характеризует кривая, показывающая количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада. В течение некоторого промежутка времени (Н₁, Н₂, Н₃) распад аустенита экспериментально не фиксируется. Этот период называют инкубационным.

Рисунок 3.1 - Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита.

По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. В области повышенных температур распад протекает с образованием структуры из феррита и цементита. Скорость распада сначала быстро увеличивается, а затем постепенно замедляется. Через некоторое время (К₁, К₂, К₃) процесс распада полностью заканчивается или приостанавливается. Построение таких кривых после охлаждения до разных температур (t₁, t₂, t₃ и т.д.) позволяет получить диаграмму изотермического превращения аустенита. Для этого нужно отрезки времени, соответствующие началу (Н₁, Н₂, Н₃) и концу распада аустенита (К₁, К₂, К₃ и т.д.) или какой-то заранее принятой степени превращения для каждой из исследуемых температур (t₁, t₂, t₃), перенести на график, на котором до оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат - температура, и одноименные точки соединить плавными кривыми. В диаграмме изотермического превращения аустенита кривая 1 характеризует начало распада аустенита, а кривая 2 показывает время, необходимое для полного распада аустенита. Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода; в интервале температур и времени, соответствующих этой области, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума, и далее вновь возрастает.

Некарбидообразующие элементы (Ni, Al, Si, Cu), принципиально не меняя вид С-кривой, смещают ее по температуре превращения и повышают устойчивость аустенита, т. е. увеличивают инкубационный период распада, сдвигая линии по диаграмме вправо. Исключение составляет кобальт, который уменьшает время до начала распада. Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, V) существенно изменяют вид диаграммы и кинетику превращения, обусловливая четкое разделение перлитного и бейнитного превращения с появлением области повышенной устойчивости аустенита между ними. Разделение перлитного и промежуточного превращений на диаграмме распада вообще свойственно легированным сталям при наличии в их составе нескольких легирующих элементов независимо от их карбидообразующей способности, хотя при наличии карбидообразователей эта особенность ярче проявляется. Легирующие элементы по-разному влияют на перлитное, промежуточное и мартенситное превращения. В перлитной области все легирующие элементы, за исключением кобальта, если они переведены в аустенит при нагреве, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита. Особенно эффективно увеличивают инкубационный период молибден и марганец, несколько слабее хром и никель. Уменьшает его кобальт. В доэвтектоидных сталях легирующие элементы могут по-разному влиять на выделение избыточного феррита и образование ферритокарбидной смеси. Так, кремний и алюминий ускоряют процесс образования избыточного феррита, но замедляют распад на феррито-карбидную смесь, а марганец и никель замедляют оба процесса. Увеличение содержания углерода существенно уменьшает скорость образования избыточного феррита в доэвтектоидных сталях и повышает скорость образования избыточного карбида в заэвтектоидных сталях, а скорость образования феррито-карбидной смеси максимальна при его концентрации, близкой к эвтектоидной.

В промежуточной области наиболее эффективно увеличивают устойчивость аустенита углерод и азот. Легирующие элементы Mn, Cr, Ni, Mo, W и другие расширяют инкубационный период начала промежуточного превращения, но существенно в меньшей степени, перлитное превращение. Как известно, промежуточное превращение в отличие от перлитного не завершается полным распадом аустенита, часть аустенита остается нераспавшейся. Легирование увеличивает количество остаточного аустенита при бейнитном распаде.

После легирования промежуточное превращение смещается в область более низких температур, в результате чего в высоколегированных сталях оно может совпадать с мартенситным превращением. Изотермические диаграммы характеризуют кинетику распада аустенита при постоянной температуре переохлаждения. Такие диаграммы наглядны для сравнительной оценки разных сталей, а также для выявления роли легирования и других факторов (температуры нагрева, размера зерна, пластической деформации и т. п.) на кинетику распада переохлажденного аустенита.

Термокинетические диаграммы характеризуют кинетику распада аустенита при непрерывном охлаждении. Эти диаграммы менее наглядны, но имеют большое практическое значение, так как при термической обработке распад аустенита происходит при непрерывном изменении температуры, а не в изотермических условиях. Если известны скорости охлаждения в разных сечениях реальных изделий, то, нанося соответствующие кривые скоростей охлаждения на термокинетическую диаграмму, можно определить температуру превращения аустенита и оценить получаемую при этом структуру.

Сравнение расположения линий распада аустенита на обеих диаграммах показывает, что соответствующие линии на термокинетической диаграмме находятся правее и ниже тех же линий изотермической диаграммы. Следовательно, то же превращение при непрерывном охлаждении протекает при более низкой температуре и через большее время, чем при изотермическом распаде аустенита.

Кинетика превращений аустенита, т.е. вид диаграммы распада, зависит от множества факторов и прежде всего от химического состава аустенита.

В зависимости от легирования сталей можно выделить шесть основных разновидностей диаграмм изотермического распада переохлажденного аустенита и соответствующие им термокинетические диаграммы.

Для углеродистых, а также некоторых низколегированных сталей, содержащих в основном некарбидообразующие элементы: никель, кремний, медь, изотермический распад аустенита характеризуется С-образными кривыми с одним максимумом. Перлитное и промежуточное превращения не разделены. При непрерывном охлаждении такой стали в зависимости от скорости охлаждения могут быть получены три типа структур: мартенсита (скорость охлаждения выше критической), мартенсита и феррито-карбидной смеси (ФКС) и только ФКС.

.2 Описание изотермической диаграммы для стали 30Г2

Сталь 30Г является марганцовистой конструкционной сталью, не содержащей карбидообразующие элементы. Диаграмма изотермического распада приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Диаграмма термокинетического распада стали 15Х5М

Диаграмму термокинетического распада стоит сравнивать с диаграммой легированной стали с карбидообразующими элементами.

Рис. 3.3 Типичная изотермическая диаграмма распада аустенит

На диаграмме присутствует четкое разделение на ферритное и перлитное превращение. Марганец несколько увеличивает устойчивость аустенита, однако крайне мало - с-образные линии смещены вправо. Ширина линий конца и начала превращений шире, чем на типовой диаграмме (на 10²с), что говорит о лучшем протекании распада аустенита. Пик с-образных кривых выражен не явно. Ширина кривых составляет примерно 330 °С, а на типовой 500 °С. Линия начала мартенситного превращения лежит при температуре 355 °С, а на типовой при 200 °С, что говорит о том, что аустенит начинает раньше распадаться на мартенсит и реакция протекает более полно. Линия А1 практически не смещается.

.3 Описание термокинетической диаграммы для стали 12Х2Н2

Сталь 12Х2Н2 является низколегированной сталью, содержащей карбидообразующие элементы - хром и молибден, поэтому в стали могут образоваться специальные карбиды.

Диаграмму термокинетического распада стоит сравнивать с диаграммой (картинка б) легированной стали с карбидообразующими элементами.

Рис. 3.5 Типичные термокинетические диаграммы распада аустенита

Области ферритного и бейнитного превращения сливаются, что говорит о снижении устойчивости аустенита. Все линии начала превращений смещены влево, что так же указывает на снижение устойчивости аустенита. Область ферритного превращения расширена. Область образования перлита очень узкая 690-620 °С, что затрудняет его получение. Линия начала мартенситного превращения лежит при температуре 440°С, а на типовой при 320 °С - т.е. линия повышается. Линия конца мартенситного превращения уходит к отрицательным температурам, что указывает на полное прохождения распада на мартенсит. Линия А1 практически не меняется.

.1 Термическая обработка валика из стали 30Г2

Для изготовления патрубка из данной стали после горячей деформации целесообразно применить высокий отпуск при температуре 900 ºС. Изделия закладывать в ящиках по 20-30 штук в каждом. Нагрев производится в печи электросопративления в течение 6 часов с охлаждением с печью. Технологические операции проводятся по ГОСТ 4543-71.

После такой обработки твердость составляет 190-200 НВ. Структура стали - ферритно-перлитная.

Целью термической обработки патрубка является обеспечение оптимальной структуры и повышение свойств после горячей деформации. Немаловажно так же выравнивание структуры и свойств металла патрубка по всей длине.

.2 Термическая обработка главного шатуна из стали 12Х2Н2

Так как данное изделие подвергается динамическим и статическим нагрузкам, то для главного шатуна мы применяем цементацию (910 °С в газовом карбюризаторе) + закалка в масле (840 °С) и низкий отпуск (180 °С). Цементация с последующей термической обработкой позволит придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении, резко понизит чувствительность к концентраторам напряжений, что является следствием образования в цементованном слое благоприятных остаточных напряжений сжатия. Цементации подвергают детали после механической обработки, включая в некоторых случаях и шлифование.

Вывод

Легированные стали - наиболее распространенные материалы среди железо-углеродистых сплавов. Это стало возможно благодаря уникальным свойствам.

Диаграммы изотермического распада аустенита характеризуют превращение аустенита при охлаждении. Они наглядно и полно показывают кинетику распада пересыщенного твердого раствора.

Термокинетические диаграммы характеризуют кинетику распада аустенита при непрерывном охлаждении. Диаграммы менее наглядны, однако более удобны для выбора правильного режима термической обработки поскольку реальный процесс отражается лучше.

В данной работе проанализированы стали 30Г2 и 12Х2Н2. Рассмотрена изотермическая диаграмма стали 30Г2 и термокинетическая диаграмма стали 12Х2Н2. Установлено влияние легирования этих сталей на положения точек и линий на диаграммах.

Выбраны режимы термической обработки патрубка и главного шатуна для указанных сталей.

легированный сталь термический аустенит

Литература

1.      А.А. Попов, А.Е. Попова. Справочник термиста: Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. М: Металлургия;

2.      В.Г. Сорокин. Марочник сталей и сплавов. М: Металлургия. 482с.;

.        Гудремон Э.А. Специальные стали. Том 1. Москва металлургия;

.        Гудремон Э.А. Специальные стали. Том 2. Москва металлургия;

.        Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография.

.        Куцова В.З., Ковзель М.А., Носко О.А. Легированные стали и сплавы с особыми свойствами. - Днепропетровск: НМетАУ, 2008. - 350 с.