Термообработка рессорно пружинных сталей

Обновлено: 16.05.2024

60С2 как качественная легированная конструкционная рессорно-пружинная сталь, её применение и химический состав. Рессора как упругий элемент подвески транспортного средства, её механические и физические свойства, процесс термической обработки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	19.05.2011
Размер файла	211,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» Факультет: ТС в АПК Кафедра «Материаловедение»

по дисциплине «Материаловедение»

тема: «Разработка технологического процесса термической обработки стальной детали - рессорной пружины 60С2»

Выполнил студент 2-го курса группы

26-ТС Литягин Иван Игоревич

1. Сталь 60С2 - качественная легированная конструкционная рессорно-пружинная сталь.

Применение: тяжелонагруженные пружины, торсионные валы, пружинные кольца, цанги, фрикционные диски, шайбы пружинные.

Таблица. Химический состав в % материала 60С2

2. Закономерности образования аустенита в углеродистой стали в основных чертах остаются справедливыми и для легированной стали. Однако введение в сталь легирующих элементов смещает температурные границы протекания процессов при нагревании.

Присутствие легирующих элементов вызывает, прежде всего, сдвиг критических точек по температуре по отношению к их положению в нелегированной стали, т. е. на диаграмме Fe-Fe3C. В сталях, легированных одним элементом, смещение критических точек, в общих чертах, направлено так же, как в бинарных сплавах этого элемента с железом.

Объясняется это тем, что углерод в количествах, допускаемых в стали, не изменяет принципиально температурных границ существования равновесных ферритной и аустенитной фаз по сравнению с тем, что наблюдается в бинарных сплавах железа с легирующими элементами.

Соответственно элементы группы никеля (Ni, Со, Мn) понижают критические точки Асх и Ас3, а элементы группы хрома (Сг, Мо, W, V, Si, Ti, А1, В, Nb, Zr) их повышают. Эффект влияния основных элементов на положение точки Асх показан.

При содержании в стали одновременно двух и более легирующих элементов, влияющих на критические точки стали в одном и том же направлении, обычно критические точки оказываются соответственно пониженными или повышенными больше, чем в результате воздействия только одного из присутствующих элементов. В случае содержания в стали элементов с противоположным влиянием на критические точки конечный эффект может быть различным и зависит от количественного соотношения элементов.

Влияние элементов проявляется также в сдвиге критических точек не только по температуре, но и по концентрации. Такую сталь условимся в дальнейшем обозначать термином «однолегированная», в отличие от сложнолегированной, содержащей более одного легирующего элемента. Термин же «высоколегированная» будем применять в общепринятом смысле для обозначения повышенного процента легирующих элементов, независимо от их числа.

Легированная сталь иллюстрирует действие элементов на концентрацию углерода в эвтектоиде. Как видно из фигуры, легирующие элементы понижают содержание углерода в эвтектоиде и, следовательно, сдвигают эвтектоидную точку 5 (см. диаграмму Fe-Fe3C) в сторону меньших концентраций.

Большинство элементов понижает также и предел растворимости углерода в т-железе. Следовательно, легирующие элементы сдвигают точку Е (см. диаграмму Fe-Fe3C) в сторону меньших концентраций. Присутствие легирующих элементов в стали крайне существенно отражается на скорости превращений при нагревании.

Последнее объясняется тем, что легированные карбиды характеризуются значительно большей устойчивостью, чем нелегированные, а также тем, что скорость диффузии углерода в присутствии ряда легирующих элементов (Мn, Сг, W, Мо и др.) сильно замедляется.

Существенное значение имеет также чрезвычайно низкую скорость диффузии самих легирующих элементов в стали. Между тем, процессы превращения в стали при нагревании реализуются исключительно в результате перемещений атомов углерода и легирующих элементов за счет диффузии. Понятно поэтому, что указанные факторы оказывают решающие влияния на скорость превращений при нагревании.

Практически превращения в легированной стали при нагревании сильно замедляются, протекают при непрерывном нагреве в широком интервале температур и требуют для своего завершения значительно больших промежутков времени, чем это необходимо для превращений в углеродистой стали.

В сложнолегированной стали, содержащей в своем составе активные карбидообразующие элементы, эти превращения, как в отношении полного растворения карбидов, так и выравнивания (гомогенизации) состава аустенита в условиях обычного нагрева, как правило, не успевают пройти до конца.

Например, даже в случае нагрева до температур, на несколько сотен градусов превышающих равновесных критических точек, обычно не достигается полного растворения карбидов титана, циркония, ниобия и ванадия.

3. Рессора -- упругий элемент подвески транспортного средства. Рессора передаёт нагрузку с рамы или кузова на ходовую часть (колёса, опорные катки гусеницы и т. д.) и смягчает удары и толчки при прохождении по неровностям пути. В пружинной рессоре в качестве рабочего упругого элемента используется пружина. Могут использоваться цилиндрические, конические, параболоидные или тарельчатые пружины. В основном испытывает пластические нагрузки. Поэтому подбирается материал, восстанавливающий свою форму.

Основные марки и закалка рессорно-пружинной стали

Особой разновидностью стального сплава является рессорно-пружинная сталь. Пружинная сталь обладает рядом особенностей — очень высокий предел текучести, твердость, приемлемый уровень коррозийной устойчивости. Такой материал может гнуться, изменять свою форму под действием внешних факторов. Во время сжатия он сохраняется все свои физические свойства (прочность, механическая устойчивость, химическая инертность). Если такую пружину разжать, то материал вернется в свою обычную форму с сохранением всех физических свойств.

Основные сведения

Рессорно-пружинная сталь — сплав, который обладает очень высоким пределом текучести. Предел текучести — это физическое свойство какого-либо материала, характеризующее напряжение, при котором деформация продолжают расти без увеличения нагрузки. По факту этот показатель отражает способность материала сохранять свою форму при изгибе и скручивании.

Чем лучше материал сохраняют форму при деформации, тем выше у него предел текучести. Высокий предел текучести возникает в материале за счет специальных методов обработки (закалка, отпуск). Это отличает сталь-пружину от многих других стальных сплавов, которые обычно «обретают необычные свойства» за счет включения в их состав различных легирующих добавок.

В России для производства пружинной стали применяются низколегированные сплавы с минимальным количеством добавочных компонентов. В американских, европейских, азиатских странах также часто применяются среднеуглеродистые и высокоуглеродистые соединения, содержащие хром.

Также применяются соединения, содержащие большое количество марганца, никеля, кремния, вольфрама, азота. Эти компоненты делают материал еще более пластичным, а также повышают его химическую инертность (то есть такой материал не будет вступать в реакцию с щелочами, кислотами, солями). Как ясно из названия, пружинная сталь обычно применяется для производства пружин, торсионов, рессор, фортепианных струн, хомутов и многих других изделий.

Физические свойства

Высокое сопротивление упругой деформации. Этот показатель отражает тот факт, как легко пластичный элемент подвергается сжатию при наличии внешних источников давления. В случае высокого сопротивления стальная пружина плохо поддается сжатию, что помогает детали восстановить свою естественную форму после разжатия.
Низкий коэффициент остаточного растяжения. При наличии внешнего источника давления такой материал принимает соответствующую форму. Однако после исчезновения такого источника давления деталь вновь принимает старую форму. Чем ниже коэффициент остаточного растяжения, тем слабее материал подвергается остаточной деформации при исчезновении внешнего источника давления.
Хорошая прочность. При сжатии стальной пружины деталь не трескается, сохраняется свою кристаллическую структуру, не рассыпается на несколько частей. Естественная прочность детали может быть повышена за счет внесения в состав стального сплава различных легирующих добавок (никель, хром, титан, свинец).
Неплохая коррозийная устойчивость (при наличии легирующих компонентов). Если пружина изготовлена из стали с большим содержанием хрома, то она будет хорошо выдерживать коррозию. Физика процесса выглядит так: при наличии в металле хрома на поверхности материала создается тонкая оксидная пленка. Такая пленка препятствует контакту железа с кислородом, азотом, что минимизирует риск возникновения ржавчины.
Химическая инертность (при наличии легирующих компонентов). Легирующие добавки на основе ванадия, вольфрама, алюминия, селена, кремния уменьшают вероятность контакта железа с внешними веществами. Поэтому при контакте металла с каким-либо химическим веществом окислительно-восстановительные реакции не возникают. Это делает пружину инертной в химическом смысле.

Легирующие добавки

Чтобы сталь-пружина стала упругой, она должна пройти прокаливание по всему своему сечению. Этот момент является очень важным. Если его проигнорировать, то высокий предел текучести возникнет только на отдельных фрагментах детали. Поэтому при длительном сжатии такая деталь может треснуть, надломиться или лопнуть.

При выборе стального сплава для изготовления пружинно-рессорного элемента нужно помнить о концентрации легирующих добавок. Оптимальная концентрация углерода в составе сплава — 0,5-0,7%. Применение материала с более высоким содержанием углерода допускается, однако в этом нет большого практического смысла. Ведь в таком случае значительно повышается риск растрескивания материала при длительной нагрузке, что делает сталь-пружину бесполезной.

Кремний — не более 2,5%.
Марганец — до 1,1%.
Вольфрам — до 1,2%.
Никель — не более 1,7%.

Для получения рессорной стали используются закалка обычного стального материала. Закалку рекомендуется проводить при температуре порядка +800-900 градусов. Во время закалки заметно повышается предел текучести, но одновременно с этим образуется большое количество мартенсита, который негативно влияет на упругость. Для разрушения мартенсита применяются различные технологии. Оптимальная методика — это применение отпуска при средних температурах (400-500 градусов).

Недостатки пружинной стали

Плохая свариваемость. Закалка приводит к частичной деформации, разрушению наружного слоя материала. В случае сварки расплавление внешнего закаленного слоя может привести к созданию плохого, некачественного шва с трещинами.
Проблематичная резка. Рессорный стальной сплав обладает высоким сопротивлением упругой деформации, поэтому резать такой материал будет сложно.

Марки стальных сплавов

В соответствии с нормами ГОСТ любой металл маркируется с помощью специального короткого кода, который отражает количественный состав сплава. Код имеет буквенно-числовое обозначение. Структура кода такая — ЧЛ1Л2Л3. Расшифровывается код следующим образом:

Ч — это число, которая отражает содержание углерода в сотых или десятых долях процента.
Л1, Л2, Л3 — это легирующие добавки (буква) и ее содержание в целых долях процентах (число). Если возле обозначения добавки число отсутствует, то это значит, что элемент содержится в концентрации менее 1%. Обозначения для некоторых элементов: Х — хром, Н — никель, С — кремний, Г — марганец, В — вольфрам, А — азот.
Если легирующая добавка одна, то она записывается в виде Л1. При наличии дополнительных элементов легирующие добавки записываются в виде Л2, Л3 и так далее.
Для примера рассмотрим два сплава: 50ХГ и 65С2ВА. Сплав 50ХГ содержит 0,50% углерода, а также хром и марганец в концентрации менее 1%. Сплав 65С2ВА содержит 0,65% углерода, 2% кремния + вольфрам и азот в концентрации менее 1%.

Технология закалки, отпуска пружинной стали

Сперва выполняется закалка пружинной стали при высоких температурах. Благодаря закалке заметно повышается предел текучести материала, что делает сталь упругой, ковкой, устойчивой.
Однако во время высокотемпературной закалки внутри сплава образуются мартенситные соединения, которые резко ухудшают упругость материала, делают его необычайно ломким и твердым.
Чтобы избавиться от мартенситных соединений следует применять отпуск пружинной стали при невысоких температурах. Во время такой обработки мартенситы разрушаются, что позволяет получить материал с нужными свойствами.

Обратите внимание, что температура и время обработки на каждом из этапов зависят от того, какие применяются марки пружинной стали. Для примера: марка рессорно пружинной стали 65Г должна проходить закалку при температуре +800-850 градусов, отпуск — при +400-500 градусах.

В ряде случаев закалка, отпуск комбинируются с процедурой нормализации металла. Эта процедура позволяет избавиться от лишних напряжений внутри металла, однако в большинстве случаев нормализация происходит сама собой во время остывания материала. Поэтому дополнительная обработка методом нормализации обычно не требуется.

Термическая закалка

Методика нагрева металла, характер остывания материала, температура окружающей среды.
Состав металла, наличие и тип легирующих добавок, общая концентрация углерода.
Способ сохранения нужного температурного диапазона для проведения закалки.
Методика охлаждения материала после проведения закалки, способ хранения материала.

Малолегированные стали рекомендуется нагревать быстро. Ведь при медленном нагреве происходит постепенное испарение углерода, что критично для малолегированных материалов. Однако со скоростью нагрева не нужно перестараться. Если нагрев будет идти очень быстро, то в таком случае может произойти неравномерный разогрев материала. Из-за этого возрастает риск образования различных металлических дефектов (трещины, кромки, разрушение углов).

Оптимальным способом нагрева будет применения двух печей. В первой печи материал постепенно нагревается до 500-700 градусов, а потом он поступает во вторую печь, где происходит финальная закалка.

Для нагрева рекомендуется применять газовые печи. Однако во время нагрева следует следить за распределением тепла, чтобы избежать появления «термических островков» на металле. Электрические печи нагреваются достаточно медленно, поэтому их применение в данном случае проблематично с практической точки зрения. Единственное исключение из этого правила — закалка тонких металлов, которые не нуждаются в дополнительном равномерном прогреве по понятным причинам.

Время выдержки зависит от многих параметров, однако в среднем общее время закалки составляет 80 минут для пламенных печей и 20 минут для электрических установок. Определенное значение также имеет форма изделия. При работе с плоским листами закалка может проводиться быстро. Тогда как в случае материала, обладающего сложной формой, рекомендуется выполнить дополнительный прогрев. Оптимальный способ охлаждения материала — на открытом воздухе.

Финальный термический отпуск

Чтобы избежать появления твердых мартенситных фракций, нужно выполнить термической отпуск непосредственно сразу же после закалки. Температурный режим также зависит от того, какая марка рессорно пружинной стали подвергалась закалке. Для отпуска можно применять как пламенные, так и электрические печи. Тип печи будет также влиять на длительность отпуска.

Пример: сталь 65Г рекомендуется подвергать высокому отпуску при температуре +400-500 градусов. Способ охлаждения — воздушный. Время выдержки — 30-150 минут в зависимости от типа печи. После проведения закалки рекомендуется выполнить контрольные мероприятия. Однако делать это нужно только после полного остывания материала, чтобы не повредить сплав.

Заключение

Пружинная сталь обладает повышенным пределом текучести. Благодаря этому материал легко поддается сжатию, однако после разжатия он быстро восстанавливает свою естественную форму. Как ясно из названия, из подобной стали делаются различные пружинистые соединения — рессоры, кольца, тормозные башмаки, фрикционы. Пружинную сталь получают путем закалки обычного стального сплава. Для обработки подходят 50ХГ, 60Г, 70С3А, 85 и другие марки стали.

Пружинная сталь обладает несколькими недостатками. Главные минусы — это неудобная резка и проблематичная сварка.

Производство пружинистой стали выполняется в два этапа. На первом этапе материал помещают в электрическую или пламенную печь, где материал проходит термическую закалку. Во время этой процедуры повышается предел текучести, но одновременно с этим в металле образуется мартенсит. Этот материал при затвердевании становится очень прочным, что негативно сказывается на свойствах металла. Поэтому после закалки необходимо обязательно выполнить термической отпуск. Подобная обработка позволит расплавить вредный мартенсит. Для отпуска можно применять те же самые печи, однако температуру в них нужно значительно снизить. После отпуска металл рекомендуется поместить под открытый воздух, чтобы он смог самостоятельно остыть до комнатной температуры.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали – это специальные стали, которые предназначаются для производства различных упругих элементов, в частности пружин и рессор.

Данный тип материала относится к высоко- и среднелегированным сталям. Главное отличие рессорно-пружинной стали от иных видов – это значительно увеличенный предел текучести данного материала. Другими словами можно сказать, что этот тип обладает высокой степенью упругости, то есть возвращается в исходные состояния и форму после устранения нагрузки. Это параметрическое свойство обусловлено областью применения рессор и пружин. В нормальном режиме работы они постоянно подвергаются сжатию/растяжению или упругой деформации и должны выполнять свои функции даже после большого цикла наложения и снятия деформации. Также данный материал должен обладать хорошей пластичностью и высокой стойкостью к хрупким разрушениям.

Основными легирующими элементами являются кремний, марганец, вольфрам и никель. Эти присадки увеличивают сопротивление пластическим и упругим деформациям путем измельчения зерна сплава. Готовым продуктом можно считать и проволоку, которую в дальнейшем применяют при изготовлении витых и компонованных пружин.

Свойства рессорно-пружинной стали

Основными характеристиками для данного вида сталей является высокое сопротивление упругим деформациям и низкий коэффициент остаточного растяжения. Это связано с недопустимостью увеличения или уменьшения конструкционного размера пружины.

Хороших конструкционных и эксплуатационных свойств добиваются, протягивая заранее патентированную проволоку при низких температурах, при этом производят сильную обтяжку материала.

Процесс патентирования ведется в промежутке между двумя вытяжками, сталь нагревают выше температурной точки образования аустенита и затем охлаждают в ванне с расплавом свинца, при этом аустенит переходит в тонкопластинчатый сорбит и увеличивается её механическая прочность.

Для достижения одинаковых физико-химических свойств по всему сечению материала пружинная сталь должна пройти процесс прокаливания сквозной методикой, это обеспечит гомогенную структуру по всему сечению. Особенно важен этот метод для изготовления рессор и пружин большого диаметра, когда неравномерность свойств исходного материала может привести к разрушению готового изделия.

Как для любого другого материала, для рессорно-пружинной стали характерно наличие в составе углерода. В данном случае его содержание может колебаться в пределе 0.50-0.80 % от массы сплава. Дополнительно используют такие легирующие добавки:

кремний – до 2.5 %;
марганец – до 1.3 %;
вольфрам – до 1.3 %;
никель – до 1.7 %.

Микроструктура рессорно-пружинной стали

Стоит заметить, что хром и марганец при совместном легировании увеличивают сопротивление стали низким пластичным деформациям. Никель и вольфрам образуют тонкую и однородную структуру карбидной фракции, которая препятствует дислокации.

Рессорно-пружинная сталь очень критична к деформациям наружного слоя материала, так как эти напряжения являются концентраторами возможных дефектов готового изделия.

Закалка данного типа производится при температурах 850 – 880 о С, но после такой термической обработки сталь проявляет слабые упругие свойства из-за образования мартенсита, для повышения данного типа свойств её отпускают при температурах порядка 420-510 о С, что способствует образованию троостита и повышению упругой деформации сплава до предела прочности 1200-1900 МПа и пределу текучести 1100-1200 МПа. При этом проведение закалки изотермически – при постоянной температуре – положительно сказывается на показателях пластичности и вязкости материала.

Стали данного типа обладают хорошими антикоррозионными свойствами из-за наличия в составе сплава таких легирующих добавок как хром и молибден. Это положительно сказывается на длительности эксплуатации и препятствует образованию трещин во время работы.

Стоит отметить так же несколько основных недостатков рессорно-пружинной стали:

плохая свариваемость – это обусловлено разрушением наружного слоя материала и локальном перегреве детали;
сложность резки – некоторые трудности возникают при попытках реза такого типа стали, связанно это напрямую с большим сопротивление деформации.

Классификация пружинных сталей

Для начала разберем маркировку такого типа материала, чаще всего она имеет вид «50А2БВГ», где:
50 – содержание углерода в долях процента;
А2 – легирующий элемент №1 и его содержание в процентах;
Б,В,Г – легирующие элементы №2,3,4 и т.д.

Важно! Если после обозначения легирующего элемента не стоит число, значит, его массовое содержание не превышает 1.5%, если число 2 – массовая доля больше 1,5%, но меньше 2,5%, если 3 – массовая доля выше 2,5%.

Например, сталь 50ХГФ – это сплав, в котором содержание углерода составляет 0,50%, и легирующие компоненты хром, марганец и ванадий составляют меньше 1,5%.

Если в маркировке стали есть только цифра, например, ст 50, ст 65 и др., это обозначает, что она относится к углеродистым сталям, а если в названии есть минимум 2 элемента, такая рессорно-пружинная сталь относится к легированным.

Рассмотрим основные классификации данного типа:

По способу обработки:

Кованный и горячекатаный.
Калиброванный.
Со специальной обработкой наружных поверхностей.
Горячекатаный круглый с обточенной поверхностью.

Качественная.
Высококачественная.

Марка рессорно-пружинной стали дает возможность определить её конструкционные и физико-химические свойства, определить область использования и возможности по механической обработке.

Область использования пружинной стали

Исходя из названия, можно сделать вывод, что данный вид предназначен для использования в областях, связанных с большими упругими деформациями, растяжением, скручиванием. Применяют такую сталь для изготовления всевозможных видов пружин для разнообразного технологического оборудования, полосок стали под рессоры, суппорты и прочее.
Основные области использования:

производство рессор автомобилей и тяжелой техники;
производство пружин для технологично оборудования, при этом это относится к пружинам на сжатие и растяжение;
пружины плоские, цилиндрические, сложные из прутков различных сечений и др.
упругие элементы тяжелой техники, станкового оборудования;
пружины тракторной техники и локомотивной техники;
ножи земельной техники;
блокировочные и тормозные устройства;
обоймы подшипников.

Рассмотрим сводную таблицу самых распространенных марок рессорно-пружинных сталей с указанием их маркировки и области применения:

Маркировка	Основные легирующие компоненты	Эксплуатационные особенности
50ХГ	Хром, марганец	Рессоры автомобилей, пружины железнодорожной техники
50ХСА	Хром, кремний, азот	Упругие элементы часовой техники
55ХГР	Хром, марганец, бор	Штамповка пластин рессор
60С2	Кремний	Валы с нагрузкой на скручивание, цанги, подпружиненные шайбы
60Г	Марганец	Пружинные кольца, бандажи, тормозные башмаки
65	—	Детали, работающие в условиях высокого трения
65С2ВА	Кремний, вольфрам, азот	Рессоры и пружины, работающие под высокой динамической нагрузкой
70Г2	Марганец	Ножи для землеройных машин
70С3А	Кремний, азот	Тяжело нагруженные пружины механизмов
85	—	Фрикционные диски с высокой прочностью

Как видно из таблицы, величина и количество легирующих присадок напрямую отвечают за износостойкость и механическую прочность деталей. Видно, что с повышение содержания углерода от 0,5% до 0,85% увеличивается прочность и упругость материала, хром препятствует образованию ржавчины, вольфрам повышает твердость и красностойкость стали, а марганец увеличивает стойкость к ударам.

Режим термической обработки рессор из стали 65Г

Назначение и особенности термической обработки легированных рессорно-пружинных сталей. Анализ зависимости эксплуатационных свойств от температуры и скорости отпуска. Технология проведения полной закалки деталей. Схема структурных превращений при нагреве.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	07.04.2016
Размер файла	889,5 K

Режим термической обработки рессор из стали 65Г

Для изготовления упругих элементов общего назначения, применяются легированные рессорно-пружинные стали.

Особенность работы деталей типа упругих элементов состоит в том, что в них используются в основном упругие свойства стали и не допускаются при нагрузке (статической, динамической, ударной) возникновение пластической деформации.

В связи с этим стали должны иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и в сопротивлении хрупкому разрушению.

Важные характеристики сталей данного типа - релаксационная стойкость и прокаливаемость. Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, т. е. хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость (структуру мартенсита по всему сечению детали после закалки).

Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна в стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода 0,5. 0,7%, которые для улучшения свойств (прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легируют кремнием (1,5. 2,8%), марганцем (0,6. 1,2 %), хромом (0,2. 1,2%), ванадием (0,1. 0,25%), вольфрамом (0,8. 1,2%), никелем (1,4. 1,7).

Эксплуатационные свойства стали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350. 5200С) на тростит отпуска (рис.1а).

Применение находит также изотермическая закалка на нижний бейнит (рис.1б).

термический закалка сталь легированный

В соответствии с заданием необходимо подобрать режим термической обработки стали 65Г. Сталь обладает стойкостью к росту зерна. Имеет высокие механические свойства.

Примем первый вариант термической обработки (рис. 1а): закалку и средний отпуск. По данным ГОСТа 14959-79 температура закалки для 65Г составляет 840-8600С (АС3 = 7880С).

В качестве охлаждающей среды применяем масло.

Последующий отпуск проводим при температуре 420-4500С (выше температуры необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура тростита отпуска (мелкозернистая ферритоцементитная смесь) обеспечит высокое сопротивление малой пластической деформации при достаточных значениях пластичности и вязкости (рис.2а, б) с НRC = 40. 50.

Указанный режим термической обработки (рис.3) обеспечивает получение следующих свойств (минимальных): s 0,2 > 1270МПа; s в > 1470МПа; d > 12%; y > 42%; НВ » 3900 - 4800 МПа (отпуск 4500 ).

Сталь 65Г - сталь перлитного класса. Кремний несколько повышает точку А3 и снижает А4. Критические точки стали АС1 - 7520С , АС3 - 7880С. Учитывая содержание углерода, сталь по структуре отжига относится к доэвтектоидным сталям, однако кремний сдвигает точку S диаграммы Fe -Fe3C до 0,7 % С, т. е. сталь становится почти эвтектоидной. Поэтому необходимо проведение полной закалки (температура А3 - 30-500С, т.е. » 840-8600С). При полной закалке сталь нагревают до однофазной мелкозернистой аустенитной структуры (рис.4).

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей чем V кр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит) обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита (рис.5)

VК - наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит. Рассмотрим превращения, происходящие в стали 65Г при нагреве с исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры АС1 (до 7520С для стали 65Г). При температуре АС1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fea ® Fe g ; растворение аустенита в цементите.

Представим общую схему превращения П (Ф +Ц) ? А1 ® (Ф + Ц + А)1 ® (А + Ц)2 ® ( А неоднородный )3 ® (А гомогенный)4 Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Из рис.6 видно, что фазовая кристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом чем дисперснее структура перлита (Ф +Ц) и чем выше скорость нагрева стали, тем больше центров зарождения аустенита, а, следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшение чувствительности к концентраторам напряжений. Рассмотрим изменение структуры в стали при закалке в масле. При непрерывном охлаждении стали со скоростью большей чем критическая скорость (рис.5) аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000-7000м/с) в интервале температур Мн. Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением % С точки Мн и Мк понижаются, в то время как введение кремния их повышает.

Из рис.7 видно, что температура Мн и Мк определяются в основном химическим составом стали. В результате закалки стали 65Г структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита. Возможность мартенситного превращения в стали объясняется наличием принципа структурного и размерного соответствия между аустенитом - плоскость (111) и мартенситом - плоскость (110), т.е. g ® a переход носит бездиффузионный характер. Превращение аустенита в мартенсит происходит путем кооперативного направленного сдвига только атомов железа на расстояние меньше межатомных. Полученный мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в a - железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим внутренним напряжениям, повышению твердости, прочности (фазовому наклепу), однако при этом возрастает склонность стали к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращение в закаленной стали при среднем отпуске (450 С)

Нагрев закаленной стали до температуры АС1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение в стали необходимые эксплуатационных свойств. Структура стали 65Г после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита. При отпуске будет проходить одновременно несколько процессов:

1. Распад перенасыщенного твердого раствора мартенсита, при котором углерод выделяется в виде карбидов ( e - карбид, Fe3C ).

2. Распад остаточного аустенита, который превращается в мартенсит отпуска.

3. Выделение карбидной фазы Fe3C и ее последующая коагуляция.

4. Уменьшение плотности дефектов кристаллического строения.

5. Снимаются внутренние напряжения.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры: До 800С диффузионная подвижность атомов мала и распад аустенита идет медленно.

Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80. 2000С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом a - раствора и когерентных с ними частиц e - карбида.

В результате этого существенно меняется тетрагональность мартенсита ( часть углерода выделяется в виде метастабильного e - карбида ), удельный объем, снижаются внутренние напряжения (рис.8).

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200. 2600С (3000С) и состоит:

1) в превращении остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) в дальнейшем распаде отпущенного мартенсита: уменьшается степень его перенасыщенности до 0,15. 0,2% С, начинается преобразование e - карбида в цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) в снятии внутренних напряжений;

4) в связи с переходом остаточного аустенита в отпущенный мартенсит имеет место некоторое увеличение объема.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300. 4000С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования.

Формируется карбидоферритная смесь, существенно снимаются внутренние напряжения; повышение температуры отпуска выше 4000С активизирует процесс коагуляции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности ферритоцементитной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 2500С) называют отпущенным мартенситом. Структуру стали после среднего отпуска 350. 5000С называют троститом отпуска. Структуру стали после высокого отпуска 500. 6000С называют сорбитом отпуска. В стали 65Г после полной закалки в масле и среднего отпуска при 4500С образуется структура тростита.

Состав и группа стали 110Г13

Для некоторых деталей (шары дробильных мельниц и т.к.) используется сталь 110Г13.

Закалка и отпуск стали 65Г

Конструкционная высокоуглеродистая сталь марки 65Г, поставляемая соответственно техническим требованиям ГОСТ 14959, представляет собой сталь рессорно-пружинной группы. Она должна сочетать в себе высокую поверхностную твёрдость (для чего в её состав вводится до 1% марганца) и повышенную упругость. Все эти характеристики обеспечиваются в результате выполнения надлежащей термической обработки изделий, изготовленных из рассматриваемой стали.

Исходный химсостав стали и требования к деталям, изготавливаемым из неё

Относясь к разряду экономнолегированных, сталь 65Г относительно дешёвая, что обуславливает её широкое и эффективное применение. В числе главных её компонентов находятся:

углерод (в пределах 0,62…0,70 %);
марганец (в пределах 0,9…1,2 %);
хром и никель (до 0,25…0,30 %).

Все остальные составляющие – медь, фосфор, сера и т.д. – относятся к примесям, и допускаются в химическом составе данного материала в количествах, ограничиваемых госстандартом.

При достаточной твёрдости (например, после поверхностной нормализации она должна составлять не менее 285 НВ), и прочности на растяжение (не ниже 750 МПа), сталь 65Г обладает достаточно высокой для своего класса ударной вязкостью – 3,0…3,5 кг∙м/см 2 . Это даёт возможность использовать материал для производства ответственных деталей подъёмно-транспортного оборудования (в частности, ходовых колёс мостовых кранов, катков), а также пружинных шайб и пружин неответственного назначения.

Стоит отметить, что детали пружин, изготовленные из стали 65Г, плохо свариваются, а также не могут противостоять периодически возникающим растягивающим напряжениям (относительное удлинение не превышает 9%), а потому не подлежат применению в неразъёмных конструкциях машин и механизмов. При проведении процессов холодного пластического деформирования сталь становится весьма малопластичной уже при малых (до 10%) деформациях, поэтому, при необходимости изготовления из неё пружин больших размеров, приходится применять нагрев исходных заготовок, даже под листовую штамповку. Впрочем, и в горячем состоянии предельные степени деформации стали 65Г не превышают 50…60%.

Химический состав стали 65Г

Несмотря на то, что в ходе деформационного упрочнения предел временного сопротивления материала увеличивается до 1200…1300 МПа, этих показателей недостаточно для того, чтобы придавать конечной продукции (например, пружинам) необходимую эксплуатационную прочность. Поэтому закалка и отпуск стали 65Г обязательны.

Оптимальные технологические процессы термической обработки материала

Выбор режима термообработки диктуется производственными требованиями. В большинстве случаев для придания надлежащих физико-механических характеристик используют:

нормализацию;
закалку с последующим отпуском.

Температурно-временные параметры термической обработки и выбор её вида зависят от исходной структуры стали. Данный материал принадлежит к сталям доэвтектоидного типа, поэтому в его составе при температурах выше нижней точки аустенитного превращения — 723 °С — на 30…50 °С содержится аустенит в виде твердой механической смеси с незначительным количеством феррита. Поскольку аустенит – более твёрдая структурная составляющая, чем феррит, то интервал закалочных температур для стали 65Г будет существенно ниже, чем для конструкционных сталей с более низким процентным содержанием углерода. Таким образом, температурный интервал закалки стали данной марки должен находиться в пределах не более 800…830 °С.

Примерно такой же температурный диапазон применяют и для проведения нормализации – технологической операции термообработки, которую используют с целью исправления структуры материала изделия, для снятия внутренних напряжений, а при последующей механической обработке полуфабриката – и для улучшения его обрабатываемости.

Поскольку ударная вязкость у закалённой стали 65Г – пониженная, то после закалки изделия из неё, в частности, пружины, обязательно должны пройти высокий отпуск. Происходящие в ходе отпуска мартенситно-аустенитные превращения снижают уровень возникающих во время закалки внутренних напряжений, снижают хрупкость и несколько поднимают показатели ударной вязкости.

Переход высокого отпуска исключается из режима только в том случае, когда заготовка проходит изотермическую закалку. В результате высокого отпуска сталь 65Г приобретает структуру сорбита, характерными особенностями которой являются мелкодисперсность структуры при сохранении изначально высоких показателей твёрдости, что полностью соответствует эксплуатационным требованиям.

Режимы закалки стали 65Г

Для соблюдения тех характеристик, которые заданы техническими условиями на эксплуатацию деталей, при выборе режима закалки учитывают следующие составляющие:

способ и оборудование для нагрева изделий до требуемых температур;
установление нужного температурного диапазона закалки;
выбор оптимального времени выдержки при данной температуре;
выбор вида закалочной среды;
технологию охлаждения детали после закалки.

Интенсивность нагревания предопределяет качество получаемой структуры. Для малолегированных сталей процесс ведут достаточно быстро, поскольку при этом минимизируется риск обезуглероживания материала, и, как следствие, потеря деталью своих прочностных параметров. Однако чересчур быстрый нагрев вызывает к жизни иные неприятности. В частности, для крупных деталей, с большими перепадами поперечных сечений это может вызвать неравномерное прогревание металла, с перспективой дальнейшего появления закалочных трещин, выкрашивания углов и кромок.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Для достижения максимальной степени равномерности нагрева сталь сначала подогревают в предварительных камерах термических печей до температур, несколько ниже закалочных – от 550 до 700 °С, и только потом деталь направляется непосредственно в закалочную печь. Быстрее всего нагрев осуществляется в расплавах солей, медленнее – в газовых печах, и ещё медленнее – в электрических печах. Именно поэтому поверхностная закалка изделий из стали 65Г в индукционных печах выполняется достаточно редко. Индуктор, как закалочный агрегат, используется лишь для изделий с малым поперечным сечением. При выборе вида нагревательного устройства важен также состав атмосферы, которая в нём создаётся. В частности, для термических печей, работающих на газе, стараются всемерно снижать длительность пребывания детали в печи, поскольку в противном случае происходит выгорание части углерода поверхностного слоя.

Исходя из нормируемой для стали 65Г температуры закалки в 800…820 °С, предельная величина обезуглероженного слоя не должна быть более 50…60 мкм.

Температурный диапазон закалочных температур может корректироваться в зависимости от конфигурации изделия. Например, если деталь имеет сложные очертания, малые габариты и изготовлена из листового металла, то оптимальной температурой будет нижняя граница указанного выше диапазона. Управляя температурой закалки (например, с помощью автоматических датчиков температуры), можно менять толщину закалённого слоя и величину зоны, которая прокалилась менее остальных. К подобным техническим решениям прибегают, когда различные части детали работают в разных эксплуатационных условиях.

Сталь 65Г не боится перегрева, однако при закалке по верхнему значению температурного диапазона ударная вязкость материала начинает уменьшаться, что сопровождается ростом зерён в микроструктуре.

Для снижения коробления деталей, которые имеют тонкие рёбра и перемычки, пользуются нагревом в соляных закалочных ваннах. Чаще применяют расплав хлористого натрия, а для раскисления в рабочий объём ванны добавляют буру или ферросилиций.

Выдержка при закалке изделий из стали 65Г при заданном температурном интервале происходит до тех пор, пока полностью не произойдёт перлитное превращение. Этот процесс зависит от размера поперечного сечения детали и способа нагрева. Для наиболее употребительных случаев можно воспользоваться данными таблицы:

Временя нагрева и выдержки в зависимости от закалочной среды и габаритов заготовки

Наибольший габаритный размер детали, мм	Закалка в пламенной печи		Закалка в электропечи
Наибольший габаритный размер детали, мм	Время нагрева, мин	Время выдержки, мин	Время нагрева, мин	Время выдержки, мин
До 50	40	10	50	10
До 100	80	20	88	20
До 150	120	30	130	30
До 200	160	40	175	40

Охлаждение изделий после закалки производят не в воду, а в масло, это позволяет избежать возможной опасности растрескивания.

Технология последующего отпуска

Как уже указывалось, для получения структуры сорбита изделия из стали 65Г подвергают только высокому отпуску при температурах 550…600 °С, с охлаждением на спокойном воздухе. Для особо ответственных деталей иногда проводят дополнительный низкий отпуск. Диапазон его температур — 160…200 °С, с последующим медленным охлаждением на воздухе. Такая технология позволяет избежать накапливания термических напряжений в изделии, и повышает его долговечность. Для отпуска можно применять не только пламенные, но и электрические печи, оснащённые устройствами для принудительной циркуляции воздуха. Время выдержки изделий в таких печах — от 110 до 160 мин (увеличенные нормативы времени соответствуют деталям сложной конфигурации и значительных поперечных сечений).

В качестве рабочих сред при закалке стали 65Г не рекомендуется использовать воду и водные растворы солей. Ускорение процесса охлаждения, которое вызывает вода, часто сопровождается неравномерностью прокаливания.

Итоговый контроль качества закалки состоит в оценке макро- и микроструктуры металла, а также в определении финишной твёрдости изделия. Поверхностная твёрдость продукции, изготовленной из стали 65Г, должна находиться в пределах 35…40 НRC после нормализации, и 40…45 НRC – после закалки с высоким отпуском.

Читайте также: