Закалка стали 40х: твердость, режимы, время, температура, технология

Из всех материалов, применяемых в машиностроении, станкостроении, приборостроении и других промышленных областях, самое широкое распространение получила сталь. Выбор ее марок огромен, в зависимости от своего состава любая сталь обладает теми или иными качествами и относится к различным группам по своим показателям. Сталь 40Х относится к классу конструкционных легированных сталей.

Химические компоненты, входящие в состав

Если рассматривать процентный состав представленного сплава, цифра 40 обозначает, что в нем содержится в процентном соотношении углерод до значения 0,44%, буква Х – обуславливает наличие легирующей добавки – хрома до 1,1%. Более подробный состав химических компонентов представлен в таблице ниже. Равноценной заменой для этой марки могут служить такие сплавы, как 40ХН, 45Х, 40ХН, 40ХС.

Химический состав стали марки 40Х

Углерод,%	Хром,%	Кремний,%	Марганец,%	Никель,%	Фосфор,%	Сера,%	Медь,%
0,36-0,44	0,8-1,1	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,035	до 0,3	до 0,035

Легированные стали получают путем переплава или производством на свежей шихте.

Если используется шихта, предварительный расчет содержания в ней хрома должен учитывать потери при выплавке, но это значение не должно превышать параметра 0,4%, иначе в процессе получатся высоколегированные отходы.

Рафинирование металла легирующими элементами проводится сильными раскислителями, после чего вводится шлак, обработанный углеродом и кремнием. После воздействия восстановительного шлака конструкционная сталь хорошо раскисляется, что обеспечивает хорошее затвердение.

Термическая обработка

Для стали 40Х последовательность термообработки следующая. Сначала выполняется закалка в масляной среде, а затем отпуск в масле или на воздухе. Для каждой детали выбирается свой режим термообработки, он зависит от нагрузок, в которых эта деталь применяется, так как разные режимы дают различную твердость изделия. Режим термообработки рассчитывается в зависимости от критических точек, достигая которые материал претерпевает физические и химические изменения и меняет свои свойства и характеристики. Сталь 40Х имеет следующие критические точки: Ac1 = 743 , Ar1 = 693 Ac3 = 782 , Ar3 = 730. Закалка осуществляется при температуре 860 ºС, средой служит масло, часовой интервал составляет 4 часа. Затем выполняется низкий отпуск при температуре 200 ºС на воздухе либо можно применить температурный параметр 500 ºС и провести обработку в масляной среде. После такого режима термообработки достигается следующая прочность стали НВ – 217 и HRC – 45.

Качественные показатели

Прочный и твердый материал, способный выдерживать большие нагрузки и не подвергаться разрушению — так можно оценить сталь 40Х. Характеристики, которыми она обладает:

• хорошие коррозионные свойства;
• стойкость к колебаниям температуры;
• высокие прочностные показатели;
• эстетические качества.

Но помимо положительных показателей сталь 40Х имеет и отрицательные свойства. Сюда можно отнести:

• склонность к образованию флокенов;
• отпускную хрупкость;
• плохую свариваемость.

Флокеночувствительность

Это дефект, который получается во время ускоренного охлаждения сплава после отливки, в виде внутренних трещин. Он может возникнуть во время горячей деформации легированной стали. Также он может проявляться на поверхности в виде четких участков овальной или зигзагообразной формы. Образование этого дефекта может происходить вследствие переизбытка выделения водорода во время термообработки. Бороться с этим недостатком можно с помощью высокотемпературной термообработки и оптимального режима охлаждения. Еще можно применять метод вакуумизации сплава, что поможет снизить содержание водорода в процентном отношении.

Отпускная хрупкость

Возникает во время медленного охлаждения легированных конструкционных сталей после отпуска, вызвана она резким снижением вязкости.

Для сравнения значение вязкости может упасть в 5-10 раз по сравнению с этим же показателем при быстром охлаждении стали. Медленное охлаждение влияет только на ударную вязкость, остальные характеристики стали оно не понижает.

Слишком быстрое охлаждение может вызывать внутренние напряжения, которые могут приводить к деформации изделия.

Трудности сварочных работ

Сталь 40Х относится к четвертой группе по свариваемости. Выполнение сварочных швов может приводить к образованию трещин. Снизить проявление этих дефектов можно с помощью предварительного подогрева. Также требуется предварительная подготовка кромок.

Выполнять сварочные работы этой марки можно дуговой сваркой: ручной или электрошлаковой, также можно применить контактную сварку. После контактно-точечной потребуется дополнительная термообработка. Для ручной сварки применяются специальные электроды для легированных сталей Э85 УОНИ-13/85.

Тип и положение свариваемого шва могут быть любые.

Область применения

Эта марка стали обладает рядом свойств, благодаря которым она охватывает достаточно обширную область применения.

Из нее выполняют заготовки сортового и фасонного металлопроката различных профилей, а также изготавливают листы, трубы, поковки, полученные методом ковки. Применяют такой металлопрокат для режущего инструмента.

Сталь 40, которая не была подвержена термообработке, очень выгодно использовать для нерабочих хвостовых частей – корпусов метчиков, насадок, разверток.

Улучшенный сплав, полученный под воздействием термической обработки, которую мы рассмотрели ранее, используется для ответственных конструкций.

К таким относятся: венцы зубчатых колес, валы, оси, втулки, болты, плунжеры.

Нашла эта марка свое применение в конструкциях, которые эксплуатируются при низких температурах на открытом воздухе, ее используют в северных широтах для обустройства железнодорожных и автомобильных мостов.

Источник: https://www.syl.ru/article/160107/mod_konstruktsionnaya-legirovannaya-stal-h

Закалка стали

Закалкой  называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки AC3  для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки АС1

 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство­рах солей и пр.).

• В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.
• Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.
• Режимы закалки определяются скоростью и температурой на­грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения.
• Выбор температуры закалки.

Температура нагрева стали для закалки зависит в основном от химического состава стали. При за­калке доэвтектоидных сталей нагрев следует вести до температуры на 30 — 50° выше точки АС3 .

В этом случае сталь имеет структуру однородного аустенита, который при последующем охлаж­дении со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, превращается в мартенсит. Такая закалка называется   полной.

При нагреве доэвтектоидной стали до температур AC1 — АC3 в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставше­гося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной ста­ли. Такая закалка называется неполной.

Нагревать заэвтектоидную сталь до температуры выше Аст не следует, так как твердость получается меньшей, чем при закалке с температуры выше АС1,за счет растворения цементита и увеличения количества остаточного аустенита.

Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напря­жения.

Скорость охлаждения.

Для получения структуры мартенсита требуется переохладить аустенит путем быстрого охлаждения ста­ли,находящейся при температуре наименьшей устойчивости аусте­нита, т. е.при 650—550° С.

В зоне температур мартенситного превращения, т. е,ниже 240°С, наоборот, выгоднее применять замедленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выравняться, а твердость образовавшегося мартенсита практически не снижается.

Правильный выбор закалочной среды имеет большое значение для успешного проведения термической обработки.

Наиболее распространенные закалочные среды —вода, 5—10%-ный водный раствор едкого натра или поваренной соли и минераль­ное масло. Для закалки углеродистых сталей можно рекомендовать воду с температурой 18° С; а для закалки большинства легирован­ных сталей — масло.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать еезакаливаемость и прокаливаемость. Эти характерис­тикине следует смешивать.

Закаливаемость показывает способность стали к повы­шению твердости при закалке. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, т. е.имеют недостаточную твердость после за­калки. О таких сталях говорят, что они «не принимают» закалку.

Стали, содержащие менее 0,3% углерода, имеют низкую зака­ливаемость и поэтому, как правило, закалке не подвергаются.

Прокаливаемость стали характеризуется ееспособ­ностью закаливаться на определенную глубину.

При закалке по­верхность детали охлаждается быстрее, так как она непосредствен­носоприкасается с охлаждающей жидкостью, отнимающей тепло.

Сердцевина детали охлаждается гораздо медленнее, тепло из цент­ральной части детали передается через массу металла к поверх­ности итолько на поверхности поглощается охлаждающей жидкостью.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости за­калки: чем ниже критическая скорость, тем на большую глубину прокаливаются стальные детали.

Например, сталь с крупным при­родным зерном аустенита (крупнозернистая), которая имеет низ­кую критическую скорость закалки, прокаливается на большую глу­бину, чем сталь с мелким природным зерном аустенита (мелкозернистая), имеющая высокую критическую скорость закалки.

Поэто­му крупнозернистую сталь применяют для изготовления деталей, которые должны иметь глубокую или сквозную прокаливаемость, амелкозернистую — для деталей с твердой поверхностной закален­ной   коркой и вязкой незакаленной сердцевиной.

1. На глубину прокаливаемости влияют также исходная структура закаливаемой стали, температура нагрева под закалку и закалочная среда.
2. Прокаливаемость     стали можно определить по излому, по микроструктуре и по твер­дости.
3. Виды закалки стали.
4. Су­ществует несколько способов закалки, применяемых в за­висимости от состава стали, характера обрабатываемой де­тали, твердости, которую не­обходимо получить, и усло­вий охлаждения.

Закалка в  одной  среде схематично показана на рис. 1 в виде кривой 1.

Такую закалку проще выполнять, но ее можно применять не для каждой стали и не для любых деталей, так как быстрое охлаждение деталей переменного сечения в боль­шом интервале температур способствует возникновению температур­ной неравномерности и больших внутренних напряжений, что может вызвать коробление детали, а иногда и растрескивание (если вели­чина внутренних напряжений превзойдет предел прочности).

Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения и структурные напряжения, тем больше опасность возникновения трещин.

 

Рис. 1.   Кривые охлаждения   для различных способов закалки

Заэвтектоидные стали закаливают в одной среде, если детали имеют простую форму (шарики, ролики и т. д.). Если детали слож­ной формы, применяют либо закалку в двух средах, либо ступенча­тую закалку.

Закалку в двух средах (кривая 2)применяют для инструмента из высокоуглеродистой стали (метчики, плашки, фре­зы). Сущность способа состоит в том, что деталь вначале замачива­ют в воде, быстро охлаждая ее до 300—400° С, а затем переносят в масло, где оставляют до полного охлаждения.

Ступенчатую закалку (кривая 3) выполняют путем быстрого охлаждения деталей в соляной ванне, температура кото­рой намного выше температуры начала мартенситного превращения (240—250° С).

Выдержка при этой температуре должна обеспечить выравнивание температур по всему сечению детали.

Затем детали охлаждают до комнатной температуры в масле или на спокойном воздухе, устраняя тем самым термические внутренние напряжения.

Ступенчатая закалка уменьшает внутренние напряжения, ко­робление и возможность образования трещин.

Изотермическую  закалку (кривая 4)проводят так же, как ступенчатую, но с более длительной выдержкой при темпера­туре горячей ванны (250—300° С), чтобы обеспечить полный распад аустенита. Выдержка, необходимая для полного распада аустенита, определяется по точкам а и b и по S-образной кривой (см. рис. 1).

В результате такой закалки сталь приобретает структуру игольча­того троостита с твердостью HRC45 55 и с сохранением необхо­димой пластичности. После изотермической закалки охлаждать сталь можно с любой скоростью.

В качестве охлаждающей среды ис­пользуют расплавленные соли: 55% KNO3 + 45% NaNO2 (темпе­ратура плавления 137° С) и 55% KNO3 + 45% NaNO3 (температура плавления 218° С), допускающие перегрев до необходимой темпера­туры.

• Изотермическая закалка имеет следующие преимущества перед обычной:
• минимальное коробление стали и отсутствие трещин; большая вязкость стали.
• В настоящее время широко используют ступенчатую и изотерми­ческую светлую закалки.

Светлую  закалку стальных деталей проводят в специ­ально оборудованных печах с защитной средой. На некоторых инст­рументальных заводах для получения чистой и светлой поверхности закаленного инструмента применяют ступенчатую закалку с ох­лаждением в расплавленной едкой щелочи.

Перед закалкой инстру­мент нагревают в соляной ванне из хлористого натрия при темпера­туре на 30—50° С выше точки АС1 и охлаждают при 180—200° С в ванне, состоящей из смеси 75% едкого калия и 25% едкого натра сдобавлением 6—8% воды (от веса всей соли).

Смесь имеет тем­пературу плавления около 145° С и, благодаря тому что в ней находится вода, обладает очень высокой закаливающей способ­ностью.

При  ступенчатой  закалке стали с переохлажде­нием аустенита в расплавленной едкой щелочи с последующим окон­чательным охлаждением на воздухе детали приобретают чистую светлую поверхность серебристо-белого цвета; в этом случае отпа­дает необходимость в пескоструйной очистке деталей и достаточна промывка их в горячей воде.

Закалка  с  самоотпуском широко применяется в инструментальном производстве.

Сущность ее состоит в том, что детали не выдерживают в охлаждающей среде до полного охлажде­ния, а в определенный момент извлекают из нее, чтобы сохранить в сердцевине изделия некоторое количество тепла, за счет которого производится последующий отпуск. После достижения требуемой температуры отпуска за счет внутреннего тепла деталь окончатель­но охлаждают в закалочной жидкости.

Проконтролировать отпуск можно по цветам побежалости (см. рис. 2), появляющимся на зачищенной поверхности стали при 220—330° С.

 

Рис. 2. Цвета побежалости при отпуске

Закалку ссамоотпуском применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков, кернеров и другого инструмента, требующего высокой твердости на поверхности и сохранения вязкой сердцевины.

Способы охлаждения при закалке.

Быстрое охлаждение стальных деталей при закалке является причиной возникновения в них боль­ших внутренних напряжений. Эти напряжения иногда приводят к короблению деталей, а в наиболее тяжелых случаях — к трещинам.

Особенно большие и опасные внутренние напряжения возни­кают при охлаждении в воде. Поэтому там, где можно, следует ох­лаждать детали в масле.

Однако в большинстве случаев для деталей из углеродистой стали это невозможно, так как скорость охлаждения в масле значительно меньше критической скорости, необходи­мой для превращения аустенита в мартенсит.

Следовательно, мно­гие детали из углеродистых сталей рекомендуется закаливать с ох­лаждением в воде, но при этом уменьшать неизбежно возникающие внутренние напряжения. Для этого пользуются некоторыми из описанных способов закалки, в частности, закалкой в двух средах, закалкой с самоотпуском и т. д.

Внутренние напряжения зависят также от способа погружения деталей в закалочную среду. Необходимо придерживаться следую­щих основных правил:

детали, имеющие длинную вытянутую форму (метчики, сверла развертки), погружать в строго вертикальном положении, иначе они покоробятся (рис. 3).

 

Рис. 3. Правильное погружение деталей и инструментов в за­каливающую среду

Иногда по условиям работы должна быть закалена не вся деталь, а лишь часть ее. В этом случае применяют местную закалку: деталь нагревают не полностью, а в закалочную среду погружают целиком. В этом случае закаливается только нагретая часть детали.

Местный нагрев мелких деталей производят в соляной ванне, погружая в нее только ту часть детали, которую требуется закалить; так закаливают, например, центры токарных станков. Можно по­ступать и так: нагреть деталь полностью, а охладить в закалочной среде только ту часть, которая должна быть закалена.

1. Дефекты, возникающие при закалке стали.
2. Недостаточ­ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
3.  Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.

Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.

И справление  дефекта: отжиг (нормализация) и последущая закалка с необходимой температуры.

Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.

Окисление и  обезуглероживание стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях.

Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием.

Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.

Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений.

Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%).

Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75—100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали.

Чтобы предупредить образова­ние трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенча­тая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробле­ние же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Источник: Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Источник: https://markmet.ru/tehnologiya_metallov/zakalka-stali

40Х

МГТУ
им. Н. Э. Баумана

• Кафедра
  МТ8
• Домашнее задание
• по
  курсу материаловедения

Студент: Клёнкин
А. В.

Группа:
М2-51

Преподаватель:
Силаева В. И.

Москва,
2000г.

Для
изготовления шестерней, валов, осей
применяется улучшаемая хромистая
сталь, легированная бором.

1. Подберите
легированную сталь для изготовления
оси диаметром 20мм.

Укажите
оптимальный режим термической обработки,
обеспечивающей получение твердости
265HB,
постройте график термической обработки
в координатах “температура
— время”.

2. Опишите все
структурные превращения, происходящие
при процессе улучшения стали.

Отчет

Для
изготовления шестерней, осей, валов
применяют улучшаемую хромистую сталь,
легированную бором.

Особенности
работы деталей типа оси состоят в том,
что в них используют прочность и
сопротивление усталости стали. В связи
с этим стали должны иметь большой запас
прочности и высокий предел выносливости.
Детали этого типа работают при статических
нагрузках.

Для
обеспечения этих свойств вводят
легирующие элементы, что повышает
конструкционную прочность стали. Их
применяют после закалки и отпуска,
поскольку в отожженном состоянии они
по механическим свойствам практически
не отличаются от углеродистых.

Высокие
механические свойства при улучшении
возможны лишь при обеспечении требуемой
прокаливаемости, поэтому она служит
важнейшей характеристикой при выборе
этих сталей.

Кроме прокаливаемости
важно получить мелкое зерно и не допустить
развития отпускной хрупкости.

К
группе легированных конструкционных
сталей относятся среднеуглеродистые
стали с содержанием углерода 0,3…0,5% ,
которые для улучшения свойств
(прокаливаемость, мелкозернистая
структура, предел выносливости)
дополнительно легируют хромом

(
до 2%), никелем (от 1 до 5%), марганцем (до
1,5%), кремнием (до 2%), молибденом и вольфрамом
(0,2-0,4
Mo
и 0,8-1,2 W),
ванадием и титаном (до 0,3% V
и 0,1% Ti),
а так же микро легируют бором

(0,002-0,005%).

В
соответствии с заданием необходимо
подобрать легированную сталь. Выбираем
сталь 40Х, так как она относится к широко
используемым дешевым конструкционным
материалам. Хромистые стали склонны к
отпускной хрупкости, устранение которой
требует быстрого охлаждения от
температуры высокого отпуска. Эта сталь
прокаливается на глубину 15-25 мм и
применяется для деталей небольшого
сечения.

1. (выше
   интервала температур необратимой
   отпускной хрупкости).
2. Указанный
   режим термообработки обеспечивает
   получение следующих свойств (минимальные
   значения):
3. 0.2
   >
   720 Мпа; 
   > 14 %
4. в
   >
   860 Мпа; 
   >
   60 %
5. HB 
   265 после отпуска при 600 С.
6. Сталь 40Х – сталь
   перлитного класса до термообработки
   имеет структуру:

Феррит
(Ф) + Перлит (П). П (Ф+Fe3C).

Ф=Fe(C)
– твердый
раствор, С’ в
Fe.

На
практике при обычных скоростях нагрева
(электропечи) под закалку перлит сохраняет
свое пластинчатое или зернистое строение
до температуры Ас1.
При нагреве до Ас1
(743
С.)
никаких превращений не происходит.

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 2 процесса: полиморфный
переход Fe

Fe
и
растворение цементита в аустените.

Представим
общую схему превращения:

Ф+П
(Ф+Ц) Ас1Ф+Ц+АА+ЦАнеоднородн.Агомогенный

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. Фазовая
перекристаллизация приводит к измельчению
зерна в стали.

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

Мартенситное
превращение состоит в закономерной
перестройке решетки, при которой атомы
не обмениваются местами, а лишь смещаются
на расстояния, не превышающее межатомные.

При этом перестройка решетки происходит
по тем кристаллографическим плоскостям
исходной модификации, которая по строению
одинаковая, а по параметрам близки к
определенным плоскостям кристаллической
решетки образующей фазы, т.е. выполняется
принцип структурного и размерного
соответствия.

При нарушении
когерентности решеток интенсивный
упорядоченный переход атомов из аустенита
в мартенсит становится невозможным, и
рост кристалла мартенсита прекращается.
Мартенсит имеет тетрагональную
пространственную решетку. Чем больше
углерода было в аустените, тем большее
число элементарных ячеек мартенсита
будет содержать атом углерода и тем
большими окажутся средние искажения
пространственной решетки.

Свойства
мартенсита сталей зависят от растворенного
в нем углерода.

Мартенсит
имеет очень высокую твердость равную
или превышающую HRC
60,
при содержании углерода большем 0,4%.

После
мартенситного превращения в стали
сохраняется небольшое количество
остаточного аустенита(1 – 3%). Затрудненность
распада последних порций аустенита
связывают с появлением значительных
сжимающих напряжений, возникающих
вследствие увеличения объема при
переходе ГЦК решетки в ОЦК решетку.

Для
придания стали требуемых эксплуатационных
свойств, после закалки всегда проводят
отпуск. При отпуске снижается уровень
напряженного состояния ( в,
НВ,,
КСV).

До t =80C
не
происходит никаких структурных изменений.
Первое превращение при отпуске развивается
в диапазоне 80…

200C
и приводит к формированию структуры
отпущенного мартенсита – смеси
пересыщенного углеродом -раствора
и когерентных с ним частиц карбида.

В
результате этого существенно уменьшается
степень тетрагональности мартенсита
(часть углерода выделяется в виде
метастабильного -карбида
), уменьшается его удельный объем,
снижаются остаточные напряжения.

1. превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2. распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15…0,2% , начинается преобразование -карбида в Fe3C –цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3. снижение остаточных напряжений:

4. некоторое увеличение объема, связанное с переходом АостМотп.

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

В
стали 40Х после полной закалки в воде и
высокого отпуска при 600C
образуется структура сорбита отпуска.

Сталь
40Х. Основные данные. ГОСТ 4543 – 71.

Химический
состав: С – 0,36…0,44 %; Ni
– не
более 0,3%;

Si
– 0,17…0,37
%; Cu
– не более 0,3%;

Мn
– 0,50…0,80
%; S – не более 0,035%

Сr
– 0,80…1,10
%; P – не
более 0,035%

• Назначение – оси,
  валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки,
  коленчатые и кулачковые валы, кольца,
  шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы,
  болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые
  детали повышенной прочности.
• Прокаливаемость 18 –
  25 мм.
• Улучшение
  механических свойств обусловлено
  влиянием легирующих элементов на
  свойства феррита, дисперсность карбидной
  фазы, устойчивость мартенсита при
  отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Легирующие
элементы, растворяясь в феррите, упрочняют
его. Наиболее сильно повышают твердость
медленно охлажденного (нормализованного)
феррита кремний, марганец, никель, т.е.
элементы, имеющие отличную от Fe
кристаллическую решетку. Слабее влияют
молибден вольфрам и хром, изоморфные
Fe.

Упрочняя
феррит и мало влияя на пластичность,
большинство легирующих элементов
снижают его ударную вязкость, особенно
если их концентрация выше 1%. Исключение
составляет никель, который не снижает
вязкости.

Марганец и хром при содержании
до 1% повышают ударную вязкость;
при большей концентрации она снижается,
достигая уровня нелегированного феррита,
примерно при 3% Cr
и
1,5% Mn.

1. Вид
   поставки – сортовой прокат, в том числе
   фасонный: ГОСТ 4543 –71,
2. ГОСТ
   2590 – 71, ГОСТ 2591 – 71, ГОСТ 2879 – 69, ГОСТ
   10702 – 78.
3. Калиброванный
   пруток ГОСТ 7417 – 75, ГОСТ 8559 – 75, ГОСТ
   8560–78,

ГОСТ
1051 – 73. Шлифованный пруток и серебрянка
ГОСТ 14955 – 77.

Лист
толстый ГОСТ 1577- 81, ГОСТ 19903 – 74. Полоса
ГОСТ 103 – 76,

ГОСТ
1577 – 81, ГОСТ 82 – 70. Поковки ГОСТ 8479 – 70.
Трубы

ГОСТ
8731-87, ГОСТ 8733 – 87, ГОСТ 13663 – 68.

Литература:

1. Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

2. Марочник сталей и сплавов, под ред.
Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г.
640с.

Источник: https://studfile.net/preview/786830/

Закалка стали 45

Слово «термообработка» для обывателей не ново. Все прекрасно понимают, для чего она необходима. Повышение прочности стали.

Но почему так происходит? Какие процессы протекают в металле в этот момент? Большинство пожимает плечами.

Если Вы хотите понять, что такое термообработка, узнать в чем разница между отжигом и отпуском, и почему закалка стали 45 производится в масле, а не в воде, то тогда эта статья для Вас.

Общие сведения о термической обработке

Термообработка – это последовательность процессов нагревания, выдержки и охлаждения, направленных на изменение сталью механических свойств.

Улучшения свойств металла происходит за счет трансформации внутренней структуры. После осуществления термической обработки сталь может находиться в 2-х состояниях: устойчивом и неустойчивом.

Устойчивое состояние характеризуется полным завершением всех протекающих процессов в стали. Неустойчивое, соответственно, наоборот, когда на сталь еще воздействуют факторы, мешающие стабилизации внутренних напряжений. Ярким примером является химическая неоднородность закаленной стали.

Повышение теплового движения молекул способствует ускорению выхода стали из неустойчивого состояния. Достигается это путем нагрева.

Для большего понимания процессов, происходящих в стали во время термообработки, введем несколько понятий о структуре металла. Под этим понимается размер внутренних зерен и их положение относительно друг друга. Каждой структуре соответствует определенная температура и определенное содержание углерода.

Основные их виды и свойства, которыми они обладают:

• Феррит – твердый раствор железа с углеродом и небольшой долей других химических элементов. Ферромагнитен. Ферритная сталь обладает высокой тепло- и электропроводимостью. Пластична. Твердость порядка 70-140 единиц по шкале Бринелля.
• Цементит – неустойчивое соединение углерода с железом. Очень тверд и хрупок (НВ 790-810). Не поддается намагничиванию.
• Перлит – фазовый раствор феррита и цементита. На его механические свойства в первую очередь оказывает влияние расстояние между фазами. Чем они ближе, тем сталь прочнее. Твердость находится в пределах 160-230 НВ, при относительном удлинении 9-12%.
• Мартенсит – перенасыщенная физико-химическая смесь углерода и железа. Значение его механических характеристик зависит от количества углерода в составе. Мартенситная сталь с концентрацией 0,2% С обладает твердостью около 35 HRC. При 0,6% твердость составляет 60 HRC.
• Аустенит – твердый раствор углерода в железе. Аустенитная сталь парамагнитна и пластична. Относительное удлинение составляет 42%.

Сам процесс термообработки включает в себя:

• Закалка.
• Отжиг.
• Нормализация.
• Отпуск.

Отжиг

Процесс отжига состоит из нагревания, выдержки и медленного охлаждения в печной среде.

Существует две его основные разновидности:

• Отжиг первого рода, при котором структура в сталях не претерпевает изменений.
• Отжиг второго рода, сопровождающийся трансформациями структурных зон.

Каждая из представленных видов термообработки имеет определенное назначение.

Отжиг первого рода выполняет следующие технологические задачи:

• Выравнивание химсостава стали. При обработке металла давлением ликвация становится причиной образования изломов и микротрещин. Для уменьшения их вероятности появления сталь нагревают до 1250 ºС и выдерживают ее при такой температуре на протяжении 8-15 ч.
• Увеличение обрабатываемости стали давлением. Термообработка проходит при 670 ºС с выдержкой 40-120 мин. Отжиг увеличивает зерна феррита, что положительно влияет на пластичность.
• Уменьшение остаточных напряжений, возникших после технологической обработки сталей: резание, сварка и прочее. Для этого сталь выдерживают при 500-620 ºС на протяжении двух часов.

Отжиг второго рода измельчает зерна стали и способствует образованию структуры феррит+перлит. Как результат, происходит увеличение механических свойств. Температура нагрева для стали 45 составляет 780-830 ºС.

Отжиг второго рода считается подготовительной термообработкой. Его проводят перед операциями резания для повышения обрабатываемости металла.

Нормализация

Это процесс нагревания стали и последующее охлаждение на воздухе, в результате которого происходит измельчение крупнозернистой структуры.

Если сравнивать с отжигом, то нормализация дает в среднем на 10% выше показатель вязкости и прочности. Причина этого кроется в охлаждении на воздухе, которое способствует разложению аустенитных фаз в нижней зоне температур. Как следствие, наблюдается увеличение перлита, что и является причиной повышения механических свойств.

Нормализация — альтернатива закалке и высокому отпуску. Конечно, на выходе механические свойства получаются ниже, но и сама нормализация менее трудоемка. К тому же, по сравнению с закалкой она вызывает меньшие тепловые деформации детали.

Отпуск

Это термообработка, которая всегда проводится на заключительном этапе. Она включает в себя нагревание закалённой стали до температурной точки трансформации перлита в аустенит и дальнейшее ее охлаждение. С его помощью механические характеристики сталей доводятся до требуемых значений.

Помимо этого, в задачу отпуска входит снятие напряжений, оставшихся после закалки.

Отпуск подразделяется на 3 типа по температуре нагрева:

• Низкий отпуск. Проводится при 230-260 ºС. Способствует упрочнению с одновременным снижением внутренней напряженности. Закаленная сталь 45 после низкого отпуска обладает твердостью 55-60 HRC.
• Средний отпуск. Температура нагревания 340-550 ºС. Позволяет достичь наиболее высокого значения упругих свойств. Из-за этого в основном применяется при изготовлении пружин. Твердость находится на уровне 45-52 HRC.
• Высокий отпуск. Выполняется при 550 ºС. Снимает внутренние напряжения после закаливания.

Механические свойства уменьшаются, но значение их при этом не меньше, чем после нормализации и отжига. Также происходит увеличение ударной вязкости. Самой оптимальной термообработкой с точки зрения соотношения вязкости и прочности считается закалить сталь, а после провести высокий отпуск.

Закалка

Представляет собой процесс нагрева  до температуры на 20-40 ºС выше точки растворения феррита в аустените и последующее быстрое охлаждение в воде или масле.

Образование значительных внутренних напряжений при закалке не позволяет ей быть окончательной термообработкой. Обычно за ней следует отпуск или нормализация.

В результате нагрева сталь получает аустенитную структуру, которая, охлаждаясь, переходит в мелкоигольчатый мартенсит.

Закалка стали 45 осуществляется при 840-860 ºС.

• Если сталь закалить, не достигнув значения требуемой температуры, то в результате останутся ферритные зоны, чье присутствие значительно снижает прочность металла.
• Если сталь 45 закалить при температуре выше 1000 ºС, это спровоцирует увеличение зерна мартенсита, что влечет за собой ухудшение вязкости и повышение риска образования трещин.
• Нагрев сталей под закалку осуществляется в электропечах периодического или непрерывного действия.
• Время нагрева зависит от:

• Химсостава стали.
• Формы и габаритов деталей.

Чем больше размеры и содержание углерода, тем большее количество времени необходимо для нагрева стали.

После нагревания стали идет ее выдержка при заданной температуре. Это необходимо для выравнивания неоднородности аустенита.

При сильном перегреве сталь начинает вступать в реакцию с печными газами. Это может повести за собой процессы окисления и обезуглероживания.

Обезуглероживание возникает как следствие химической реакции углерода с водородом и кислородом. Как следствие, образуя такие соединения как угарный газ и метан. Полученные газы уносят вместе с собой с поверхности стали молекулы углерода, вызывая тем самым резкое снижение прочности.

Защитой стали от окисления и обезуглероживания служит осуществление нагревания в вакууме или расплавленной соли.

В качестве закалочных сред применяется вода или масло.

Вода обладает большой скоростью охлаждения, но она резко падает при увеличении температуры. Также недостатком воды является возникновение значительных напряжений и, соответственно, коробление деталей.

Масло в этом плане охлаждает более равномерно, что уменьшает риск образования микротрещин при закалке. Среди ее недостатков стоит отметить низкую температуру воспламенения и загустение, что уменьшает ее закалочные свойства.

Разная сталь имеет разную закаливаемость, т.е. способность увеличивать прочность посредством закалки. Как правило, чем выше концентрация углерода, тем выше закалочные свойства.

Закалка ТВЧ

Если сталь закалить таким образом, то она будет лучше справляться с переменной и ударной нагрузкой. Закалка ТВЧ считается разновидностью поверхностной закалки, основная задача которой получение более прочного наружного слоя, сохраняя при этом вязкость сердцевины. 

Нагрев под закалку ТВЧ осуществляют в индукционных печах, используя ток высокой частоты. Принцип данной термообработки заключается в неравномерном нагреве сечения изделия. Плотность тока на наружней части стали значительно выше в сравнении с сердцевиной. Основная часть тепла приходится на поверхность, соответственно, именно в этой зоне и происходит упрочнение.

Охлаждение осуществляется непосредственно в печи специальными распрыскивающими устройствами. После закалки обычно требуется отпуск для выравнивания тепловых напряжений.

Преимущества закалки ТВЧ:

• Повышенная производительность.
• Сталь изолирована от влияния окисления и обезуглероживания.
• Возможность регулировать толщину закаленного слоя. Чем частота токов выше, тем глубина закалки меньше.
• Автоматизация процесса.

Источник: https://prompriem.ru/stati/zakalka-stali-45.html

Термообработка стали 45

jpg» alt=»Закалка стали 45″ class=»adimg»>

Термообработка стали 45, так же как и термическая обработка любой другой марки стали выполняется для улучшения технических характеристик данного материала.

Такая обработка подразумевает первоначальный нагрев металла и последующее его охлаждение. Собственно, в зависимости от времени нагрева материала и скорости охлаждения, термообработка стали 45 и других марок подразделяется на 3 последовательно выполняемых операции:

1. Отжиг стали 45
2. Закалка стали 45
3. Отпуск стали 45

Отжиг стали 45 — это нагрев материала в специальной печи до очень высокой температуры и последующее его охлаждение, которое выполняется естественным образом, то есть вместе с печью.

Существует отжиг первого рода, при котором нагрев идет до критических значений, но не превышает их.

Также существует и отжиг второго рода, при котором температура уже превышает критическую отметку и приводит к некоторым изменениям в структуре.

Так или иначе, любой из данных способов позволяет избавиться от неоднородности состава, а также снять внутреннее напряжение материала и достичь зернистой структуры.

Кроме того, проведение отжига стали 45 поможет снизить твердость сплава, что значительно облегчит в дальнейшем процесс переработки.

Примечательно, что отжиг второго рода подразделяется на несколько следующих категорий, различающихся по их назначению и исполнению:

• диффузионный отжиг
• полный отжиг
• неполный отжиг
• изотермический отжиг
• рекристализационный

Как правило, для углеродистых сталей применяется полный отжиг.

Суть данной технологии состоит в том, что заготовки нагреваются до температуры, которая превышает критическую отметку (верхняя точка Ас3) примерно на значение от +30°С до +50°С.

После этого сталь 45 охлаждают с медленной скоростью от +150°С до +200°С до тех пор, пока ее температура не сравняется со значением температуры в рабочем интервале от +500°С до +550°С.

Кстати говоря, при отжиге первого и второго рода охлаждение материала происходит в печи, в которой был произведен нагрев.

Поскольку при нормализации стали охлаждение происходит быстрее, перлит получает тонкое строение и наибольшую твердость. Поэтому нормализованная сталь тверже отожженной.

Закалка стали 45

В целом, отжиг стали или же ее нормализация являются подготовкой сплава к последующим процессам термообработки.

Вторым по счету процессом обработки идет закалка стали 45. С виду может показаться, что этот этап полностью дублирует отжиг и нормализацию: Закалка стали 45 также состоит из двух основных технологических операций: нагрева и охлаждения.

Однако у него имеются свои довольно важные отличительные характеристики.

Если быть точнее, то этой важной отличительной чертой будет скорость охлаждения стали. В случае с закалкой стали 45 заготовка сперва нагревается до температуры, которая превышает критическую.

После этого сталь будет сразу же охлаждена в специальной жидкости.

В роли такой жидкости может выступать чистая вода, вода с растворами солей, вода с содержанием в составе 5%-й каустической соды, либо же различные минеральные масла (рис. 1)

Рисунок 1

Закалка стали 45 в воде производится при температуре жидкости от +20°С до +30°С. Если в качестве закалочной среды используют раствор каустической соды, то его температура будет составлять от +50°С до +60°С.

Температура закалки стали 45, при которой этот материал помещают в охлаждающую жидкость, составляет от +820°С до +860°С.

Визуально подобные температуры соответствует диапазону от светло-красного до темно-оранжевого цвета.

Нагрев стали до этих значений обычно выполняется в специальных печах. Но в некоторых случаях также применяется закалка стали 45 токами высокой частоты (ТВЧ).

Между этими двумя методами существует разница во времени выдержки заготовки. Это обусловлено тем, что данные установки имеют различные режимы нагрева.

Устройство для нагрева стали	Температура нагрева стали
Печь	От +820°С до +860°С
ТВЧ	От +880°С до +920°С

Несмотря на то, что при использовании ТВЧ нагрев стали 45 нужно выполнять до чуть более высоких температур, как такового перегрева материала не происходит.

Размер и структура у зерна остается прежним, так как для нагрева через ТВЧ требуется намного меньше времени.

Кстати говоря, с помощью проведения закалки токами высокой частоты, твердость стали 45 возрастает по шкале Роквелла (HRC) возрастает приблизительно на 2-3 единицы.

При нагреве стали 45 до температуры, превышающей критическое значение на отметку в +30°С — +50°С, материал достигнет своего аустенитного состояния.

Иначе говоря, атомная решетка железа (Fe) изменит объемно-центрированной вид на решетку гранецентрированной формы.

Углерод (С), содержащийся в перлите как кристаллы соединения Fe3C (цементита) примет вид твердого раствора — атомы внедрятся в гранецентрированную решетку.

После помещения раскаленного материала в охлаждающую ванну для закалки, температура стали 45 очень быстро понижается до значения комнатной от +20°С до +25°С.

Именно это и придает итоговому материалу высокую твердость и прочность.

Дело в том, что при комнатной температуре рабочей среды атомы будут иметь крайне малую степень подвижности.

Поэтому при резком охлаждении они попросту не успевают выйти из состояния раствора и образовать цементит.

Получается, что сам углерод силой удерживается в решетке железа, тем самым образовывая перенасыщенный твердый раствор. В решетке при этом создается избыточное внутреннее напряжение от атомов углерода.

Они попросту распирают решетку, за счет чего она вытягивается вдоль одного направления. Таким образом, все ячейки из кубической формы переходят в тетрагональную.

Иначе говоря, ячейки решетки образуют форму прямоугольной призмы (рис. 2). Естественно, это влияет на структуру материала, которая становится игольчатой.

Подобную игольчатую конфигурацию у материала принято называть специальным термином — мартенсит.

Рисунок 2

Сами кристаллы мартенсита имеют вид пластин с небольшой толщиной. Если рассматривать данные пластины в поперечном сечении микрошлифа, то они будут иметь форму игл.

В первую очередь, это объясняется тем, что удельный объем мартенсита будет чуть больше в сравнении с удельным объемом аустенита, из которого он образован.

Это объясняется тем, что образование самого мартенсита обуславливается возникновением в кристаллах мартенсита множества дислокаций, которые образуются за счет большого числа внутренних напряжений.

Напряжения вызваны тем, что возникающая пластина мартенсита воздействует на аустенит, который, в свою очередь, отвечает уже обратным сопротивлением к мартенситу, создавая тем самым ответное давление к данной пластине.

Таким образом, при попытке деформировать закаленную сталь с мартенситной структурой, можно встретить серьезное препятствие.

Этим препятствием будут движущиеся в различных направлениях дислокации, которые взаимно блокируют друг друга, не давая перемещаться.

Именно эти препятствия передвижения дислокаций увеличивают сопротивление деформации материала, соответственно, увеличивая степень твердости и прочности.

Кроме того, с учетом воздействия внутренних напряжений, кристаллы мартенсита образуют раздельные блоки (рис. 3).

Но такие искажения у атомной решетки как раз и оказывают препятствие к перемещению дислокаций. За счет этих особенностей мартенсита сталь и имеет высокую прочность.

Рисунок 3

Отпуск стали 45

Отпуск стали 45 производят сразу после этапа закалки.

Эта разновидность термообработки нужна для того, чтобы существенно уменьшить или полностью снять остаточное напряжение в материале, которое появилось после изменения структуры посредством его закаливания.

В целом, отпуск стали 45 позволяет также повысить вязкость заготовок и уменьшить степень их хрупкости. Однако этот процесс немного уменьшает твердость стали.

Технология процесса отпуска стали 45, в зависимости от температуры, выполняется через:

• печи с принудительной циркуляцией воздуха;
• специальные ванны с селитровым раствором;
• специальные ванны с минеральным маслом;
• ванны, заполненные расплавленной щелочью.

Принцип отпуска стали 45 состоит в том, что материал первоначально нагревают до отметки ниже, чем критический уровень, а после этого охлаждают.

Однако такой режим термической обработки имеет несколько различных способов проведения, которые будут отличаться друг от друга в зависимости от скорости охлаждения заготовки и температуры её нагрева.

Отпуск углеродистых сталей принято классифицировать на 3 следующие категории:

1. Высокий. Температура нагрева стали составит от +350°С до +600°С до критической отметки. Как правило, такой метод используют для металлических конструкций.
2. Средний. Температура обработки составляет от +350°С до +500°С. Этот способ по большей части используется для пружинных изделий и рессор.
3. Низкий. Температура нагрева заготовки не превышает +250°С. Подобный способ принято задействовать для достижения высокой прочности и износостойкости.

 Таблица значений термической обработки стали 45

Марка стали	Твёрдость (HRC)	Температура закалки, °С	Температура отпуска, °С	Температура закалки ТВЧ, °С	Температура отжига, °С	Среда закалки
Сталь 45	20…25	820…860	550…600	Вода
20…28	550…580
24…28	500…550
30…34	490…520
42…51	180…220
49…57	200…220	880…920
До 22	780…860

Источник: https://s-agroservis.ru/inform/company-news/termoobrabotka-stali-45/