Расчет показателей термической обработки кремнистых, кремнемарганцевых и хромомарганцевых сталей

Для изготовления рессор автомашин, пружин подвижного состава железнодорожного транспорта широко используются кремнистые, кремнемарганцевые, хромомарганцевые стали.

• 1. Укажите и обоснуйте режим термической обработки пружин, изготовленных из стали марки 60С2А, для получения следующего комплекса свойств: у 0,2? 1400МПа, д? 7%. Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения.
• 2. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки.
• 3. Приведите основные данные по этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Решение.

Особенностью работы таких деталей машин как упругие элементы является то, что в них используют в основном упругие свойства стали и не допускают возникновение пластической деформации при нагрузке (статической, динамической, ударной). В связи с этим стали должны иметь большое сопротивление малым пластическим деформациям, т. е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью (структура 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 стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода О, 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…0,2%), вольфрамом (0,8…1,2%), никелем (1,4…1,7%).

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350…520С) на троостит отпуска.

В настоящее время для изготовления пружин амортизаторов применяют следующие стали: 50С2, 55С2, 60С2А, 70СЗА. Итак, сталь 60С2А относится к широко используемым дешевым сталям для изготовления упругих элементов сечением до 18 мм. Эта сталь обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.

По данным ГОСТ 14 059–79 температура закалки для стали 60С2А составляет 850С (А3 — 820С). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 400С.

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств:

д? 7%, у0,2? 1400МПа.

Указанный температурный режим отпуска до (400С) обеспечит необходимые по заданию конечные параметры стали после термообработки:

Закалка 850 °C масло, отпуск:

Табл. 1.

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 60С2А — сталь перлитного класса. Критические точки стали: А1=77 010 0С, А3=82 010С. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита. Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2А при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры А1 (770 оС для стали 60С2А). При температуре А1 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 и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получение гомогенного аустенита.

Из рис. 1 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали.

Рис. 1. Схема структурных превращений в стали при нагреве

При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалки в масло. При непрерывном охлаждении в стали с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000…7000 м/с) в интервале температур Мн… Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются.

Введение

легирующих элементов также изменяет положение точек МН и Мк. Например введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2А ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышение твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (470С).

Нагрев закаленной стали до температуры А1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2А после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита — смеси пересыщенного углеродомраствора и когерентных с ним частицкарбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильногокарбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260С (300С) и состоит из следующих этапов:

• 1) превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;
• 2) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15…0,2%, начинается преобразованиекарбида в — цементит и его обособление, разрыв когерентности;
• 3) снижение остаточных напряжений;
• 4) некоторое увеличение объема, связанное с переходом АостМотп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400С активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250С) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска 350…500 С — трооститом отпуска; после высокого отпуска 500…600С — сорбитом отпуска.

В стали 60С2А после полной закалки в масле и среднего отпуска при 400С образуется структура троостита отпуска.

Табл. 2. Сталь 60С2А. Химический состав. Данные по ГОСТ 14 959–79.

стальной легирующий конструкционный аустенит Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности стали, что достигается при их использовании в термически упрощенном состоянии — после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали практически не отличаются от углеродистых. В связи с этим обеспечение необходимой прокаливаемости — первостепенная задача легирования. Легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Возможность менее резкого охлаждения при закалке уменьшает в них напряжения и опасность образования трещин.

Влияние кремния. Влияние на свойства аустенита: повышает критические точки А1 и А3, сужаетобласть, увеличивает склонность к росту зерна, резко увеличивает прокаливаемость, замедляет превращения аустенита, уменьшает Vз.кр. Влияние на прочие свойства: активно раскисляет, является легирующим элементом стали со специальными электрическими и магнитными свойствами, повышает вр и снижает д стали в равновесном и высокоотпущенном состоянии, увеличивает склонность к отпускной хрупкости.

Достоинства: Низкая флокеночувствительность, высокий предел текучести.

Недостатки: Пониженная обрабатываемость резанием и невозможность сварки.