В сталях промышленного производства, кроме основных элементов (железо, углерод и легирующие элементы в легированных сталях), содержатся различные примеси — постоянные и случайные, они попадают в сталь из вторичного сырья или руд.
Постоянные примеси подразделяются:
• на вредные — сера, фосфор и газы (кислород, азот и водород),
• полезные — марганец и кремний;
• случайные — хром, никель, медь, олово, мышьяк и др., коли чество которых невелико; они мало влияют на свойства и в дальнейшем не рассматриваются.
Классификация сталей по качеству
В основу классификации положено содержание в стали серы и фосфора, т.е. вредных примесей. Качество стали тем выше, чем меньше в ней серы и фосфора. По качеству можно выделить I чедующие основные группы сталей:
• стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора;
• качественные стали, содержащие до 0,04 % серы и 0,035 % фосфора;
• высококачественные стали, содержащие до 0,025 % серы и 0,025 % фосфора, выплавляемые в электропечах. Сера в таких количествах растворяется в железе, поэтому сульфиды не образуются, следова- кльно, высококачественные стали не подвержены красноломкости;
• особовысококачественные стали получают путем применения | пециальных металлургических технологий: электрошлакового переплава (ЭШП) — переплав стали под слоем специального шлака позволяет снизить содержание серы до 0,002...0,008 %; вакуумно- нуговой переплав (ВДП) почти полностью выводит из стали газы.
Маркировка сталей
Маркировка углеродистых сталей. Углеродистые стали выпускают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Легированные стали — качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: Ст0, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. С увеличением номера повышаются содержание углерода и прочностные свойства, но снижается пластичность. Так, в зависимости от марки (номера) содержание углерода в стагиЧр увеличивается от 0,06 до 0,43 %, возрастают предел прочности 0(от 300 до 600 МПа и предел текучести о0 2 от 150 до 300 МПа, а относительное удлинение 8 снижается от 32 до 14 %. Стали обык новенного качества используют в основном как строительные. Их не подвергают термической обработке.
Качественные углеродистые стали являются машиностроительными, их применяют для изготовления деталей машин (конструкционные стали) или инструментов (инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств они подвергактм термической обработке и поэтому поставляются с гарантирован ным химическим составом, который указывается в обозначении марки.
Конструкционные стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь.'() содержит 0,18.„О,22%, сталь 25 - 0,23...0,27 %, сталь 40 - 0,37...0,42% и т.п. Цифры, обозначающие марку стали, получа ются округлением концентрации углерода до ближайшего числи, кратного пяти.
Инструментальные углеродистые стали содержат от 0,7 до 1,3 % С, Они обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Так, содержание углерода в стали У7 — 0,7 %, в стали У12 — 1,2 %. Для инструментов применяются следующие стали: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13.
Высококачественные стали (инструментальные углеродистые и легированные и конструкционные легированные) обозначают бук вой А в конце марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А.
Маркировка легированных сталей. Для обозначения сталей при нята система цифр и букв. Содержание углерода показано ц и ф рами, стоящими в начале обозначения марки. Его содержание указывают так же, как и в углеродистых сталях: в сотых долях процента в конструкционных ив десятых долях вин струментальных сталях. Если цифры в начале марки отсутствуют, что характерно для инструментальных сталей, содержа ние углерода — около 1 %.
Легирующие элементы обозначаются буквами кириллицы (русскими): X — хром, Н — никель, К — кобальт, С — кремнии, М — молибден, Г — марганец, В — вольфрам, Ф — ванадий, Т — титан, Б — ниобий, Д — медь, Р — бор, Ю — алюминий.
Цифра, стоящая за буквой, означает среднее содержание данного элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то содержание элемента составляет около 1%. Исключение представляют элементы, присутствующие обычно в конструкционных сталях в малых количествах, — это вольфрам и молибден (0,25...0,5 %), титан и алюминий (до 0,1%), ванадий (0,1...0,2 %). При таком содержании их наличие в марке обозначается, а цифра не ставится.
Буква А, стоящая в конце обозначения марки, так же как и для углеродистых сталей, указывает на то, что сталь является высокачественной. Если буква А стоит в середине марки, то она указывает на присутствие в стали азота в качестве легирующего элемента.
Примеры обозначения конструкционных и инструментальных сталей:
сталь 40Х — легированная качественная, содержит (в среднем) 0,4 % углерода и 1 % хрома;
сталь 12ХН3А — легированная высококачественная, содержит около 0,12 % углерода, 1 % хрома и 3 % никеля;
сталь ХВГ — инструментальная легированная, содержит (в среднем) 1 % углерода, 1 % хрома, 1 % вольфрама и 1 % марганца.
Особовысококачественные стали, получаемые электрошлаковым переплавом, часто индексируют буквой Ш в конце обозначения марки.
Обозначение некоторых легированных сталей специального назначения несколько отличается от общепринятого. Эти отличия рассмотрены в соответствующих разделах.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Для улучшения эксплуатационных характеристик деталей из стали широко используют методы их термической и химико-термической обработки.
Под процессом термической обработки понимают изменение внутреннего строения (микроструктуры) металла деталей под воздействием изменяющихся температурных условий и, как следствие этого, получение определенных физико-механических свойств металла. В основу выбора рациональных тепловых режимов термической обработки может быть положен участок диаграммы состояния Fе3С с нанесенными температурами для различных видов терми-ческой обработки углеродистых сталей.
Каждый из процессов термической обработки деталей состоит из трех периодов:
• нагревание детали с определенной скоростью до требуемой по процессу температуры;
• выдержка детали при этой температуре;
• охлаждение ее с заданной по процессу скоростью.
Под процессом химико-термической обработки понимают процесс изменения химического состава в поверхностных слоях металла (с последующим изменением микроструктуры) под воздействием внешних сред и температуры и, как следствие этого, получение определенных физико- механических свойств поверхности и сердцевины детали.
Химико-термическая обработка применяется для по-вышения предела выносливости конструкционной стали при циклических нагрузках, повышения износостойкости трущихся поверхностей деталей и с целью противодействия влиянию внешних сред при нормальной и высокой темпе-ратуре (устойчивость против коррозии и жаростойкость).
Термическая обработка стали. Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск и обработка холодом.
ОТЖИГ
Отжиг — процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение. В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига:
1) диффузионный;
2) полный;
3) изотермический;
4) неполный;
5) сфероидизирующий;
6) рекристаллизационный.
Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Слитки (отливки), особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. При этом происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему.
Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.
Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше нижней критической температуры при нагревании на 30—50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении. При неполном отжиге происходят снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием. Поскольку требуется меньшая температура нагрева, чем при полном отжиге, то на обработку тратится меньше времени и теплоты, что обеспечивает экономичность процесса. Неполному отжигу подвергают высокоуглеродистые заэвтектоидные стали и пали инструментальные, шарикоподшипниковые и др.
Изотермический отжиг отличается тем, что распад аус- тенита на ферритно-цементитную смесь происходит при постоянной температуре. После того как уже произошел распад аустенита, скорость охлаждения не имеет существенного значения, и поэтому охлаждение после изотермической выдержки можно проводить на воздухе. Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30—50°С выше нижней критической точки при нагревании (конструкционные стали) и выше нижней критической точки при нагревании на 50—100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже нижней критической точки при охлаждении (680—700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе.
Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2—3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием слож- нолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.
Сфероидизирующий отжиг обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизирован- ный. Это улучшает обрабатываемость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше нижней критической точки при нагревании с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550—600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% С, например шарикоподшипниковые стали типа ЩХ15.
Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке.
Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже нижней критической точки при нагревании (650—700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650—700°С (рекристаллизационном отжиге) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна, и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.
Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость.
ЗАКАЛКА
Закалка — это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышаются прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения.
Основными параметрами закалки являются скорость нагрева и скорость охлаждения. Скорость нагрева и время выдержки зависят от химического состава стали, размеров, массы и конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Чем больше размеры и сложнее конфигурация закаливаемых деталей, тем медленнее происходит нагрев. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность, нагревают медленно и с более длительной выдержкой при нагреве по сравнению с деталями из низкоуглеродистых сталей. Это делается для того, чтобы уменьшить деформацию деталей при нагреве. Скорость нагрева и продолжительность выдержки оп-ределяют экспериментально или по технологическим картам, в которых указывают температуру, время нагрева для каждого вида деталей или инструмента. Ориентировочно время нагрева в электрических печах принимают 1,5— 2 мин на 1 мм сечения изделия. Оборудованием для нагрева стали служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.). Средой, в которой нагревают сталь, являются в печах — газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива), нейтральный газ; в печах-ваннах — минеральные масла, расплавленные соли и металлы. При нагреве в электрических печах в среде атмосферного воздуха, а также в печах с газовой средой сталь, взаимодействуя со средой, окисляется и на ее поверхности образуется окалина. Кроме того, происходит обезуглероживание — частичное выгорание углерода в поверхностных слоях стали, что снижает прочностные свойства материала после закалки. Наиболее благоприятен нагрев в печах с нейтральной или защитной атмосферой, обеспечивающей предохранение деталей от окисления. Нагрев стали до требуемой температуры и выдерживание при этой тем-пературе необходимо проводить как можно быстрее. Чем меньше сталь будет находиться в условиях высоких температур, тем выше будут ее свойства после закалки.
ВИДЫЗАКАЛКИ
Закалка в одной среде — наиболее простой и распространенный способ. Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, в которой она находится до полного охлаждения. Его ис-пользуют при ручной и механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из печи после нагрева в закалочную жидкость, в воду или масло. Недостатком этого способа закалки является то, что деталь охлаждается по сечению неравномерно и в ней возникают большие термические напряжения.
При закалке в двух средах, или прерывистой закалке, деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду — воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду — масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.
Ступенчатая закалка заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки в горячем масле или расплавленной соли, а затем, после короткой изотермической выдержки, охлаждают на воздухе.
Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотер-мический распад аустенита с образованием бейнита.
Закалку с подстуживанием применяют для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если деталь нагрета до температуры, значительно пре-вышающей температуру закалки данной стали. Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) на спокойном воздухе.
Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температурах 220—300°С. Закалку с самоотпуском применяют для обработки зубил, кернеров, бородков и других ударных инструментов, у которых твердость должна плавно понижаться от рабочей части к нерабочей.
Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температуры ниже комнатной для дополнительного более полного пре-вращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости.
ОТПУСК
Отпуск — процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже нижней критической точки при нагревании, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе).
Цели отпуска:
1) получение более устойчивого структурного состояния;
2) устранение или уменьшение напряжений;
3) повышение вязкости и пластичности;
4) понижение твердости и уменьшение хрупкости за-каленной стали.
Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах — от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150—250°С, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т. д.
Средний отпуск производится при температурах 300— 500°С для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.
Высокий отпуск выполняется при температурах 500— 650°С. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках. Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Конструкционные стали 35, 45, 40Х в результате улучшения получают более высокие механические свойства. Отпуск закаленных деталей проводят непосредственно после закалки, так как возникшие в них внутренние напряжения могут вызвать образование трещин. Недогрев, ведущий к недоотпуску, получается при заниженных температурах отпуска или недостаточном времени выдержки.