«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Поверхностная закалка сталей

 

Поверхностная закалка – это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. В результате поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам. 

Таким образом, назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки. 

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ).

Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты: 1 – закаливаемая деталь; 2 – индуктор; 3 – охладитель 

 

Деталь 1 помещают в индуктор 2, который представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. К индуктору подводят переменный электрический ток. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле. Магнитный поток индуцирует в металле изделия вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина нагрева зависит от свойств металла и частоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

После нагрева в индукторе деталь охлаждается с помощью специального охлаждающего устройства 3. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость. Закаленные изделия подвергают отпуску при 160-200°С. 

Преимущества поверхностной закалки ТВЧ:

–  регулируемая глубина закаленного слоя;

–  высокая производительность;

–  возможность автоматизации;

–  отсутствие обезуглероживания и окалинообразования;

–  минимальное коробление детали.

Недостатком является высокая стоимость индуктора, индивидуального для каждой детали.

Особенностью индуктивного тока является его неодинаковая плотность по сечению изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия. Толщина (м) закаленного слоя может быть подсчитана по формуле

где ρ – электросопротивление, Ом·м; μ – магнитная проницаемость, Гн/м; f– частота, Гц.

Чем меньше f (частота тока), тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применять ток малой частоты (промышленный), то индуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызывать сквозной нагрев. Индукционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагрева. Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от f, ρ, μ составляет 50–500°С/с, а при обычном печном нагреве она не превышает 1–3°С/с. Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2–10 с. Глубина слоя 2–5 мм. Большие скорости нагрева приводят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область более высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5–3°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше температура аустенизации и получения при охлаждении нормальной структуры (мелкокристаллического мартенсита) и максимальной твердости. Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840–860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250°С/с – 880–920°С, а со скоростью 500°С – 980–1020°С.

Охлаждающую жидкость (вода, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через спрейер (душевое устройство). Различают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

1)  одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяется для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (инструменты, валики, пальцы);

2) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; этот метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д.;

3)  последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), кулачков распределительных валов и т.д.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200°С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4–0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50–60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура на поверхности – мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для улучшения механических характеристик перед закалкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10–12 баллов), чем при обычной закалке с печным нагревом (7–8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердостью на 3–6 ед. HRC выше, чем при печном нагреве.

          При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали. Так, для стали 40 после нормализации он составляет 150 МПа, а после закалки с индукционным нагревом – 420 МПа. Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия. Это особенно важно для различных осей и валов, работающих на изгиб и кручение, у которых максимальные напряжения растяжения возникают в поверхностных слоях.

 

2. Теплостойкие стали

 

Жаростойкие стали. Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах. К жаростойким относят стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами (хромом, алюминием и кремнием), имеющими большее сродство к кислороду, чем железо, и образующими на поверхности стали плотные оксидные пленки типа (Cr,Fe)₂O₃, (AI,Fe)₂O₃ и др. В связи с тем, что диффузия (особенно кислорода) через эти пленки затруднена, наличие на поверхности указанных тонких пленок приводит к торможению процесса дальнейшего окисления. Стали, легированные Сr и Si, называют сильхромами; Сr и А1 – хромалями; Сr–А1–Si – сильхромалями. Среди сильхромов широкое применение получили жаростойкие (с температурой окалинообразования 850°С) и одновременно жаропрочные (до 600°С) стали мартенситного класса 40Х9С2 и 40X10C2M. Стали подвергаются закалке в масле с 1000–1050°С с последующим отпуском при 500–540°С (охлаждение на воздухе; сталь 40Х9С2) или при 720–780°С (охлаждение в масле; сталь 40X10C2M). Ускоренное охлаждение после отпуска в масле или на воздухе необходимо для избежания охрупчивания сильхромов в интервале температур 450–600°С.

Сильхромы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания и деталей печного отопления.

Сталь 10X13СЮ (сильхромаль) окалиностойка до 950°С; она устойчива в серосодержащих средах. Однако высокое содержание алюминия и кремния в сталях вызывает их охрупчивание, в связи с чем эти элементы добавляют в небольших количествах.

Ферритная сталь 08X17Т жаростойка до 900°С и применяется в теплообменниках.

Аустенитные стали 12Х18Н9Т и 36Х18Н25С2 обладают высокой технологичностью и достаточной прочностью при повышенных температурах. Они жаростойки соответственно до 800 и 1100°С.

Сталь 36Х18Н25С2 благодаря добавке кремния обладает высокой жаростойкостью в среде с повышенным содержанием серы; она применяется для изготовления сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.

Жаропрочные стали используются при работе под нагрузкой (в течение заданного промежутка времени) и обладают достаточной жаростойкостью при температурах выше 350°С. Легирование вносит существенный вклад в повышение жаропрочности сталей: во-первых, возрастает энергия межатомной связи в твердых растворах (а следовательно, затормаживаются диффузионные процессы); во-вторых, за счет легирования и термической обработки (закалка с последующим старением) формируется специальная гетерогенная структура, состоящая из твердого раствора и вкрапленных в него дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз, когерентных с основой.

Жаропрочные стали перлитного класса – это низколегированные стали (12Х1МФ, 25Х1МФ, 20Х1М1Ф1БР и др.), содержащие 0,08–0,25% С и легирующие элементы – Сr, V, Mo, Nb.

Ряд легирующих элементов (например, Мо, Сr), растворяясь в феррите, затормаживает диффузионные процессы, повышая тем самым прокаливаемость, температуру рекристаллизации и жаропрочность сталей. Роль ванадия и ниобия заключается в образовании дисперсных карбидов, упрочняющих твердый раствор. Хром повышает жаростойкость. Предельное максимальное содержание углерода 0,25% ограничивается опасностью обеднения феррита молибденом и снижения в связи с этим уровня прочностных и технологических свойств. Лучший комплекс механических свойств обеспечивается закалкой в масле или нормализацией с 880–1080°С с последующим высоким отпуском при 640–750°С.

Стали перлитного класса используются для изготовления деталей, длительно (10000 часов и более) работающих в режиме ползучести при температурах до 500–580°С и малых нагрузках: это трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа. Предел длительной прочности () для стали 12Х1МФ при 580°С равен 120 МПа.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15Х11МФ, 11ХПН2В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580–600°С. Введение в высокохромистые (8–13% Сr) стали вольфрама и ванадия совместно с молибденом способствует существенному повышению их жаропрочности. Стали с меньшим содержанием хрома (до 11% Сr) принадлежат к мартенситному классу, а с большим (11–13% Сr) – к мартенситно-ферритному. Стали закаливают на мартенсит с температур 1000–1100°С в масле или на воздухе. В процессе нагрева под закалку происходит растворение в аустените карбидов М₂₃С₆, МС и М₆С. После отпуска при 600–750°С стали приобретают структуру сорбита (смесь упрочненного легированного феррита и выделившихся мелких карбидов). Предел длительной прочности стали 15Х12ВНМФ составляет при 55О°С = 200 МПа. Стали используют для изготовления деталей газовых турбин и паросиловых установок.

К жаропрочным сталям мартенситного класса можно отнести также сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М, рассмотренные в разделе жаростойких сталей.

Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, – их рабочие температуры достигают 700–750°С. Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются. По способу упрочнения аустенитные стали подразделяются на три группы:

1)  твердые растворы, не упрочняемые старением;

2)  твердые растворы с карбидным (МС, М₇С₃, М₂₃С_б, М₆С) упрочнением;

3) твердые растворы с интерметаллидным (Ni₃Ti, Ni₃Al, Ni₃(Ti,Al), Ni₃Nb и др.) упрочнением.

Стали первой группы (08X15H24B4TP, 09Х14Н19В2БР) применяют в закаленном состоянии (закалка 1100–1160°С, вода или воздух). Эти стали используют для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления, работающих при 600–700°С.

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, как правило, подвергают закалке с 1050–1200°С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при 600–850°С. При закалке происходит растворение карбидов и интерметаллидов в твердом растворе (аустените) с их последующим выделением в мелкодисперсном виде при старении. Иногда применяют двойную закалку и ступенчатое старение.

В аустенитных сталях с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС высокая жаропрочность достигается введением в хромоникелевый аустенит 0,3–0,5% углерода и карбидообразующих элементов – Mo, W, V и др. После закалки, в процессе последующего старения образуются дисперсные карбиды типа М₂₃С₆и МС, повышающие механические свойства сталей. Сталь 45Х14Н14В2М в отожженном состоянии (после выдержки при 810–830°С с охлаждением на воздухе) используют для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Стали с интерметаллидным упрочнением (10Х11Н20ТЗР, 10Х11Н23Т3МР) содержат небольшое количество углерода и дополнительно легированы титаном, алюминием, молибденом и бором. Титан и алюминий образуют основную упрочняющую γ'-фазу (Ni₃Ti или Ni₃TiAl). Бор упрочняет границы зерен аустенита. Молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Стали используют для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700°С.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (например, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором. Они упрочняются, как и аустенитные стали, закалкой и старением. Сплав ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750°С.

 

3. Испытание на ударную вязкость

 

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454–78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 2, а) и V-образным (рис. 2, б) надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 3).

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть определена по следующей формуле:

где G – вес маятника; h₁ – высота подъема маятника до испытаний; h₂ – высота подъема маятника после испытаний.

Рис. 2. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 3. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

 

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя, сопротивления воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м², и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе F. Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС_з и удельной работы ее распространения КС_p , т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А. Дроздовского и А.П. Гуляева. По методу Б.А. Дроздовского испытывают ударные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходуется на распространение трещины, т. е. при таком испытании определяется величина КС_р.

Рис. 4. Схема определения составляющих ударной вязкости по методу А.П. Гуляева

 

Работа зарождения трещины КС₃ в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталостной трещины КС и работой ее распространения КС_р.

По методу А.П. Гуляева испытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис. 4). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КС_р. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с образцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляющих ударной вязкости.