Улучшение стали
Улучшение стали – комплекс операций по проведению термической обработки, в который включены закалка и высокий отпуск. У обработанных деталей повышаются:
- прочность;
- пластичность;
- вязкость ударная;
- прочность усталостная;
- снижается порог хладноломкости.
Сущность процесса улучшения
Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:
- Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
- Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
- Среднелегированные. Количество вводимых элементов в пределах от 3% до 10%.
При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На данном этапе необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали преобладает внутренняя структура – мартенсит.
Структура улучшаемой стали
Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.
Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.
Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:
- Прочностные характеристики:
- ϬВ – предел прочности;
- Ϭ0,2 – предел текучести;
- KCU – ударная вязкость;
- Характеристики пластичности:
- δ% — относительное удлинение;
- ψ% — поперечное сужение;
- Усталостные характеристики:
- Ϭ-1 – усталостная прочность;
- Ψ-1 – предел усталости при кручении;
- Твердость (НВ, HRC).
Технология проведения улучшения
При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.
Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.
Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.
Применение улучшения
После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые требуют увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Использование углеродистых сталей обусловлено дешевизной изготовления и технологичностью.
Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала
Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.
Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.
Прокаливаемость
Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.
| Марка стали | Проведение закалки при температуре, °С | Критический диаметр, мм | |
| Среда интенсивного охлаждения | |||
| вода | масло | ||
| 45 | 840…850 | до 9 | до 25 |
| 45Г2 | 840…850 | до 18 | до 34 |
| 40ХН2МА | 840…850 | до 110 | до 142 |
| 38Х2МФА | 930 | до 72 | до 86 |
Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.
Хладноломкость
Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.
Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля
График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.
Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.
Зависимость порога хладноломкости от размера зерна
График показывает зависимость от размера зерна:
1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;
2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.
Наличие серы и фосфора отрицательно влияют на формирование мелкозернистой структуры.
Неправильный выбор материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья не раз приводил к катастрофическим последствиям. Например, вал, изготовленный из ст. 40 и прошедший улучшение в умеренном климате, работает не один год. А на Чукотке при морозе больше 50°С он сломается в первые месяцы эксплуатации.
Механические свойства после улучшения
У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:
- ϬВ (предел прочности) — 600…700 МПа;
- KCU (ударная вязкость) – 0,4…0,5 МДж/м2;
- HRC (твердость) – 40…50.
Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).
Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.
Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:
- ϬВ (предел прочности) — 1020 МПа;
- Ϭ-1 (предел усталости) – 14 Мпа;
- ψ% (поперечное сужение) – 41%;
- HВ (твердость) – 241.
Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.
Улучшение стали при изготовлении деталей
Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.
Технологический процесс выглядит так:
- Получение заготовки объемной штамповкой.
- Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
- Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
- Механическая обработка.
- Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
- Шлифование зубьев.
Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:
- степень легирования;
- диаметр и размер заготовки;
- переходы, являющиеся источниками напряжений;
- прилагаемые динамические нагрузки;
- условия работы;
- требуемая твердость.
Улучшаемые стали
Улучшаемые стали — это конструкционные материалы:
- углеродистые;
- малолегированные;
- среднелегированные.
| I | II | III |
| Углеродистые | малолегированные | среднелегированные |
| ГОСТ 1050-82 | ГОСТ 4543-71 | ГОСТ 4543-71 |
| 30-60 | Морганцовистые 30Г-65Г, хромистые 30Х-40Х | 38Х2МЮА и прочие, но с содержанием углерода не более 0,4% |
| Хроммолибденовые 30ХМ-40ХМ, 50Г2 | ||
| Многокомпонентные 30-40ХГСА, 30-40ХМФА | 45ХН2МФА |
Легированные стали можно поделить на несколько категорий:
- хромистые;
- хромомарганцевые (хромансиль);
- никелесодержащие;
- с добавлением вольфрама и молибдена.
Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она производится при соблюдении некоторых мер, сохраняющих требуемые характеристики.
Источник
Какие способы применяются для повышения качества стали
В условиях металлургического завода данные о служебных свойствах готового изделия зачастую получить невозможно. Поэтому для контроля качества используют результаты анализа по содержанию отдельных элементов в стали и данные о механических характеристиках готового металла. В ряде случаев существенное влияние на свойства готовой стали оказывают содержание в ней кислорода, водорода и азота, микропримесей цветных металлов, количество, состав и форма неметаллических включений и другие параметры, подвергаемые контролю. И хотя эти стандартизованные методы контроля качества металла далеко не всегда дают полное представление о служебных свойствах готового изделия (значительное влияние на них оказывают последующие стадии передела), тем не менее в большинстве случаев они позволяют с достаточной достоверностью сделать вывод о качестве выплавленной стали.
Методы повышения качества стали в значительной мере зависят от ее состава, назначения, последующих видов обработки и выбираются с учетом конкретных производственных условий. Основными из них являются: снижение содержания в стали вредных и нежелательных примесей, снижение содержания газов и неметаллических включений, изменение состава и формы (модифицирование) включений, стабилизация температуры разливки, защита металла от вторичного окисления и др.
К основным вредным примесям, ухудшающим почти все полезные свойства стали, относятся сера и фосфор. Отрицательное влияние, особенно на некоторые виды специальных сталей, оказывают примеси цветных металлов, вносимые обычно металлоломом. Снижение содержания серы в большинстве сталей позволяет значительно повысить их пластичность и улучшить качество поверхности проката, снизить процент брака по пленам при прокатке, сократить угар железа при нагреве и величину обрези, улучшить свариваемость металла. Лишь в отдельных случаях (автономные стали, некоторые виды подшипниковых) повышенное содержание серы может привести к положительным результатам.
Исследованиями фирмы «Аугуст Тиссен-Хютте» (ФРГ) установлено, например, что число поверхностных дефектов на слябах с содержанием серы более 0,02% в среднем в два раза больше, чем на слябах с содержанием серы ниже этого уровня. Чтобы избежать образования внутренних трещин и гарантировать хорошее качество поверхности слябов при разливке их на МНЛЗ, содержание серы не должно превышать 0,02%. Особое значение приобретают вопросы снижения содержания серы в стали по мере расширения применения холодной прокатки, волочения и высадки, которые характеризуются глубокой вытяжкой металла, а также по мере увеличения массы разливаемых слитков. Одним из основных способов снижения содержания серы в стали является снижение его в исходных материалах и в первую очередь, в чугуне. Десульфурация металла в большегрузных кислородных конвекторах , электропечах, мартеновских печах имеет ограниченный характер, и наиболее перспективным методом глубокой десульфурации стали, наряду с внедоменной десульфурацией чугуна, по-видимому, следует считать ее внепечную обработку.
Фосфор в стали, за исключением тех редких случаев, когда он присаживается для придания ей специальных свойств, играет отрицательную роль, и снижение его содержания в металле является зачастую не менее важным, чем снижение содержания серы. Кроме общеизвестного отрицательного влияния фосфора, выражающегося в росте хладноломкости, особенно под воздействием динамических нагрузок, установлено, что увеличение его содержания приводит к ухудшению механических характеристик канатной стали, способствует увеличению водородонасыщенности и флакеноусточивости рельсовой стали, снижению пластичности и сокращению выхода годного ряда других сталей. Содержание фосфора в стали снижается, главным образом, в сталеплавильных агрегатах, и лишь в редких случаях используется внепечная дефосфорация стали. Связано это с тем, что в основном процессы при производстве стали являются окислительными и удаление фосфора в печи или конвекторе, как правило, особых трудностей не вызывает.
Основным из методов снижения содержания серы и фосфора в стали является применение для ее выплавки чистого по примесям чугуна или лома, а также первородной шихты (металлизованного сырья). Особенно важными являются эти методы для снижения содержания в стали примесей цветных металлов, удаление которых либо вообще не возможно, либо связано с организацией дорогостоящих специальных процессов рафинирования, причем вследствие многократного переплава количество таких примесей в скрапе постоянно накапливается.
Даже малые количества (0,02-0,04%) таких примесей, как свинец, олово, мышьяк, вызывают хладноломкость стали. Наличие даже в малых количествах меди уменьшает пластичность в холодном состоянии. На свариваемость стали вредно влияет содержание в ней никеля и мышьяка, ничтожные примеси сурьмы (на уровне 0,001%) уже способствуют возникновению в легированной стали отпускной хрупкости. Если раньше содержание нежелательных примесей в стали, как правило, не контролировалось и потребители допускали содержание их до сотых, а то и десятых долей процента, то в настоящее время в целом ряде случаев нужен металл с содержанием отдельных примесей 0,001% и ниже. Решена эта задача может быть лишь применением чистой по примесям шихты и специальных рафинирующих переплавов.
Весьма неблагоприятное влияние на свойства сталей оказывает кислород. Отмечено снижение свариваемости низколегированных сталей, содержащих более 0,003-0,004% кислорода, увеличение их хрупкости и склонности к старению вследствие большого числа оксидных включений. Долговечность подшипников, например, в результате снижения содержания в металле кислорода может быть повышена в несколько раз. Раскисление как заключительный этап выплавки стали является решающим для обеспечения высокого качества стального слитка. Количество, химический состав и форма неметаллических включений, характер расплавления их в металлической матрице непосредственно связаны с технологией раскисления. Загрязненность стали неметаллическими включениями получается примерно одинаковой при раскислении ее как в печи, так и в ковше. Раскисление в ковше предпочтительнее в отношении экономии ферросплавов, повышения производительности сталеплавильного агрегата, снижения общего содержания газов в металле
Неметаллические включения в стали являются источником многих пороков. Они значительно снижают пластичность металла (особенно в поперечных образцах), уменьшают усталостную прочность, ухудшают электротехнические свойства трансформаторной стали, являются причиной образования волосовин, поверхностных пузырей, раковин, плен, трещин и расслоений в листовой стали. Повышенная загрязненность стали неметаллическими включениями является источником аварий и прежде временного выхода из строя ряда отвецтвенных деталей машин. Поэтому очистка стали от неметаллических включений является важнейшей проблемой повышения качества всей металлопродукции. Решение этой проблемы достигается повышением чистоты исходных шихтовых материалов для выплавки стали особенно по содержанию серы и фосфора; применением наиболее сильных и комплексных раскислителей, защитой металла от вторичного окисления, использованием различных видов внепечной обработки и рафинирующих переплавов.
Неблагоприятное влияние на свойства стали оказывает наличие в ней водорода. Повышенное содержание его приводит к образованию флакенов, центральной пористости и свищей, к снижению пластичности и усталостной прочности. В металлургической практике для предотвращения образования флакенов применяют замедленное охлаждение металла в печах или специальных камерах. При этом заметно возрастают удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Основными методами снижения водорода в металле являются вакуумирование, продувка инертным газами. Снизить содержание водорода в металле можно также при обработке парами легкоиспаряющихся металлов, например, кальция и магния. Сделать это непосредственно в сталеплавильном агрегате, как правило, не удается.
Азот в металле далеко не всегда является вредной примесью. Иногда его используют в качестве легирующего компонента либо для создания в некоторых конструкционных сталях упрочняющей мелкодисперсной нитридной фазы. Для многих среднеуглеродистых и легированных сталей изменение содержания в них азота в широких диапазонах заметного влияния на свойства практически не оказывает. Снижение содержания азота крайне необходимо при производстве низколегированных сталей для листа, предназначенного для глубокой вытяжки, при выплавке конструкционных сталей, предназначенных для работы в условиях севера. Наиболее низкое содержание азота в стали (0,0015-0,002%) достигается при производстве в кислородном конвертере. Снижение содержания азота в готовом металле возможно при вакуумировании, продувке металла инертными газами, обработке стали щелочноземельными металлами.
В целом уменьшение газонасыщенности стали сокращает пораженность металла газовыми пузырями, осевую пористость, наличие волосовин и микротрещин, угар раскислителей и легирующих присадок, снижает чувствительность металла к старению, повышает его однородность, обеспечивает заданную величину зерна.
Форма и состав содержащихся в стали неметаллических включений могут быть изменены при вводе в нее специальных добавок – модификаторов. Наиболее эффективны из них щелочноземельные металлы – магний, кальций и редкоземельные элементы – цирконий, церий, бор, лантан, рений, иттрий и др. Результатом модифицирования стали может быть повышение механических свойств металла, особенно пластичности и сопротивления ударным нагрузкам при высоких и низких температурах, уменьшение анизотропии свойств готового проката, улучшение деформируемости высоколегированных сталей, снижение неоднородности состава слитка и склонности к образованию трещин, повышение теплоустойчивости и жаропрочности, улучшения свариваемости и целого ряда других характеристик готовой продукции. Для повышения прочностных характеристик сталей и сплавов иногда используют упрочняющие мелкодисперсные фазы (например, нитриды, карбонитриды). Модификаторы и упрочняющие добавки вводят, как правило, после выпуска стали из печи.
При использовании для выплавки стали агрегатов повышенной вместимости, расширении внедрения непрерывной разливки стали необходимы стабилизация химического состава и температуры и усреднение их по всему объему металла в ковше перед разливкой. Решение этой проблемы достигается путем продувки металла в ковше аргоном с добавлением необходимых элементов и ввода в ковш охлаждающего сляба либо металлической сечки из стали, близкой по химсоставу к обрабатываемой.
Значительное, а часто решающее влияние на загрязненность стали неметаллическими включениями может оказать защита металла от повторного окисления при разливке. Для качественных сталей, в особенности для сталей, подвергнутых внепечной обработке, разливка незащищенной струей может свести на нет все мероприятия, проведенные ранее с целью улучшения ее качества. Защита металла в процессе разливки может проводится аргоном, синтетическими шлаками или теплоизоляционными засыпками, путем разливки «под уровень».
Большинство мероприятий по повышению качества стали основано на применении внепечной обработки расплавленного металла, причем, как показывает практика, такая обработка оказывается более эффективной и экономичной, чем обработка в основных сталеплавильных агрегатах.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости разработки агрегатов для внепечной обработки стали. В связи с этим можно сделать выводы о необходимости разработки дозирующего устройства для подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор МНЛЗ, которое является одним из предпочтительных вариантов решения проблемы для защиты металла от взаимодействия с атмосферой, при разливке стали на МНЛЗ.
Источник
