Способы повышения прочности стали

Способы повышения прочности металлов и сплавов: легирование, наклеп, термическое упрочнение.

Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев. В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы: 1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами. 2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Способы упрочнения деталей, материалов

Подробности Категория: Металлоемкость конструкций

Способы упрочнения деталей, материалов.

Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.

Основные способы упрочнения материалов следующие:

• горячая обработка давлением;
• легирование;
• упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
• обработка методами холодной пластической деформации.

При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.

Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.

Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.

Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).

Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б) и другие фасонные детали (рис. 78, г) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а, в).

Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д, e). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж, з).

Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.

В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.

Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.

Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.

Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).

Процесс	Сущность процесса	Технология процесса	Назначение
Диффузионное хромирование	Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе	Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl2; CrСl3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости
Титанирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe2Ti	Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч)	Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости
Бериллизания	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов	Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl2 (4—8 ч)	Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости
Борирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe	Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В4С и буры Na2B4O7 (5—6 ч)	Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости
Сульфидирование	Образование в поверхностном слое сульфидов Fe	Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч)	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания
Силидирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe	Выдержка в атмосфере моносилана SiH4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч)	Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости
Семенирование	Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов	Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H2SeO3 с добавкой небольшого количества хромпика	Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств
Алитирование	Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl2О3. Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов	Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl2O3 при 900—1000°С (6—8 ч)	Повышение горячей коррозиестойкости

Разработаны процессы комплексного диффузионного легирования: хромалитирование (насыщение Сr и Аl), сульфоцианирование (S, С и N2), бороцианирование (В, С и N2), бороалитирование (В и Аl), хромомарганцевирование (Cr и Мn) и др.

Упрочнение стали

В целях более эффективного использования несущей способности арматуры и получения в результате этого значительной экономии стали в некоторых случаях на предприятиях ее подвергают дополнительной термической или механической обработке. В основе всех механических способов упрочнения (волочения, скручивания и вытяжки) лежит процесс механического изменения структуры стали, называемый наклепом

или
нагортовкой
, при котором происходит уменьшение пластичности и вязкости стали и повышение предела ее текучести и прочности. Процесс
волочения
состоит в протягивании проволоки или прутка через конусообразное отверстие фильера, изготавливаемого из твердых сплавов, выходная часть которого имеет меньший диаметр, чем входная. В результате одновременного растяжения и обжатия металл теряет значительную часть пластических свойств и делается более жестким. Предел текучести стали повышается в 1,5 раза. С целью уменьшения усилия, требующегося для протягивания стали через фильер, относительное обжатие площади сечения за один проход принимают в пределах 10—20%.

Волочение арматурной стали на предприятиях сборного железобетона осуществляют на одно-, двухбарабанных волочильных станах с вертикальными и горизонтальными осями типа 1/650. Для заострения концов проволоки перед заправкой ее в фильер в состав волочильных установок входят заточные станки. При диаметре обрабатываемой проволоки более 6 мм рекомендуется использовать станы с диаметром барабана 600-700 мм, при диаметре 3-6 мм — 500-600 мм, а при диаметре 1,8-3 мм — 400-500 мм.

заключается в растяжении арматурной стали, при которой в последней возникают напряжения, превосходящие предел текучести. В результате обработки сталь удлиняется на 4—8% с соответствующим уменьшением площади поперечного сечения, повышением предела текучести и снижением пластичности. Процесс упрочнения стали контролируется величиной удлинения стержня. При вытяжке горячекатаной арматурной стали периодического профиля марки Ст.5 на 5,5% предел текучести повышается с 300 МПа (3000 кг/см2) до 500 МПа (5000 кг/см2), а при удлинении стали марки 25Г2С на 3,5% этот показатель возрастает с 400 МПа (4000 кг/см2) почти до 550 МПа (5500 кг/см2). Для вытяжки создан ряд серийных установок, а также автоматизированный стан БА-55 конструкции А. И. Авакова и Г. А. Анопова.

Установки СМЖ-130 (6597С) и СМЖ-132 (6701С/2А) конструкции института «Гипростроммаш» представляют собой силовую секционную раму. Концевые секции рамы имеют упорные анкерные плиты, в которых установлены подвижная и неподвижная тяги. Для выгрузки стержней на машине имеется механизм сброса. Для замера длины вытяжки на подвижной тяге установлен указатель и линейка. Вытяжка производится гидродомкратом СМЖ-84 (6280С), который натягивает стержень с помощью подвижной тяги. Отпуск натяжения производится тем же гидродомкратом. В целях безопасности на случай обрыва стержня со стороны гидродомкрата установлен заградительный щит. В связи с применением инвентарных тяг обрыв стержня в сторону, противоположную гидродомкрату, невозможен. Соединение подвижной и неподвижной тяг со стержнем осуществляется с помощью зажимов. Установка СМЖ-132 (701С/2А) снабжена также питателем для подачи длинных стержней, который управляется гидроцилиндрами.

Установка СМЖ-130 (6597С)

1 — насосная станция; 2 — гидроцилиндр; 3 — пульт; 4 — подвижная линейка; 5 — зажим; 6 — силовая рама; 7 — винт

В производстве предварительно напряженных конструкций повышение прочности арматуры позволяет значительно снизить ее расход. Прочность изготавливаемой у нас стержневой арматурной стали обычно не превышает 500-900 МПа (5000-9000 кг/смм2). К тому же механическими способами существенно повысить ее расчетное сопротивление очень сложно. В этом случае наиболее целесообразным является ее термическая обработка. Как показали исследования, закалка при 900° С с последующим отпуском при 350° С повышает прочность стержней из стали марки Ст.5 в 1,5 раза, а из стали 25Г2С — в 2 раза, вследствие чего ее расход снижается не менее чем на 50%.

Создана автоматическая установка для электротермического упрочнения стали (ЭТУ-1 и ЭТУ-2), работающая следующим образом. Непрерывно подаваемые арматурные стержни поочередно на концах зажимаются в челюстных электродах, соединенных с обмоткой сварочного трансформатора типа ТСД-2000. При пропускании тока большой силы стержень разогревается до нужной температуры, выдерживается при ней необходимое время и сбрасывается в охлаждающую ванну для отпуска. Расход электроэнергии на термическую обработку 1 т стержней составляет 250-350 кВт-ч, а себестоимость — 5-6 руб. После того, как металлургическая промышленность наладит массовое производство стали с термическим упрочнением в процессе ее проката, надобность в такой обработке на заводах ЖБИ отпадает. Ведутся работы по созданию установок, на которых одновременно с термической обработкой будет производиться высадка анкерных головок на концах стержней и осуществляться электротермическое натяжение стержневой арматуры.

Источник

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:

1. Углеродистые. Среднее содержание, которого находится в пределах от 0,25% до 0,6%.
2. Малолегированные. Средне суммарное содержание легирующих элементов не более 3%.
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:

1. Прочностные характеристики:
   1. ϬВ – предел прочности;
   2. Ϭ0,2 – предел текучести;
   3. KCU – ударная вязкость;

1. Характеристики пластичности:
   1. δ% — относительное удлинение;
   2. ψ% — поперечное сужение;
2. Усталостные характеристики:
   1. Ϭ-1 – усталостная прочность;
   2. Ψ-1 – предел усталости при кручении;
3. 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:

1. Получение заготовки объемной штамповкой.
2. Отжиг. Твердость НВ = 172…175.
3. Улучшение. Калить в масле при t = 820-840°С. Отпуск при t = 600-620°С. Твердость НВ = 241…244.
4. Механическая обработка.
5. Термическая обработка. Калить не глубже 3 мм. Затем низкий отпуск при t = 220°С. Твердость HRC 56…62.
6. 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:

1. углеродистые;
2. малолегированные;
3. 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