Термическое улучшение металла

Термическое улучшение металла - это процесс изменения свойств металла путем его нагрева и последующего охлаждения. Целью этого процесса является улучшение механических свойств металла, таких как прочность, вязкость, упругость, твердость и устойчивость к износу.

Улучшение металла включает в себя ряд процедур, связанных с термической обработкой. Среди них выделяют закалку и высокий отпуск. Эти процессы позволяют повысить прочность, пластичность и ударную вязкость металла, а также снизить его предел хладноломкости. Существуют специализированные предприятия, которые предоставляют услуги по улучшению металла, оснащенные современным оборудованием и имеющие большие производственные мощности. Улучшение возможно для различных видов сталей: углеродистых, малолегированных и среднелегированных.

Улучшение сталей

Сущность процесса улучшения

Сущность процесса улучшения металла заключается в изменении его механических свойств путем нагрева и охлаждения. Это позволяет повысить прочность, твердость и устойчивость к износу металла, что делает его более долговечным и надежным для использования в различных отраслях промышленности. Различные методы термического улучшения металла могут быть применены в зависимости от типа металла и желаемых свойств, что позволяет создавать более качественные и безопасные изделия.

Технология улучшения сталей

Для укрепления и закалки металла необходимо подобрать оптимальную температуру нагрева, которая зависит от состава материала. Для конструкционных сталей можно использовать диаграмму железо-углерод для подбора температуры, однако для металлов с легирующими элементами (хром, молибден, ванадий, никель и др.) требуется повышенная температура нагрева для получения аустенита.
Интенсивное охлаждение проводится в воде или масле. Углеродистые металлы закаляются в воде, а легированные - в масле, так как вода может вызвать внутренние трещины и деформации.
Структуру мартенсита можно изменить с помощью отпуска при средней или высокой температуре, которая зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Применение улучшения сталей

Для увеличения прочности деталей, таких как валы, втулки, шестерни и зубчатые колеса, изготавливают из углеродистых сталей, которые имеют высокую технологичность и доступность.

Однако, для улучшения свойств металла с легирующими элементами, такими как хром, молибден, ванадий, никель и другие, требуется повышенная температура нагрева для получения аустенита. Интенсивное охлаждение проводится в масле для легированных металлов и в воде для углеродистых металлов.

Структуру мартенсита можно изменить с помощью отпуска при средней или высокой температуре, которая зависит от процентного содержания легирующих элементов.

Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий. Введение легирующих элементов позволяет создавать ответственные детали большего диаметра, которые испытывают более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность, с повышением прочности и твердости, а также снижается порог хладноломкости.

Прокаливаемость

Однородность структуры металла имеет прямое влияние на механические свойства элементов конструкции. Для достижения этого параметра необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость и минимальный диаметр. Критический диаметр, который характеризует образование более половины мартенсита, может быть определен по таблице показателей.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на прокаливаемость, особенно при наличии никеля, который позволяет закаливать детали большого диаметра. Например, сталь 40ХН2МА может быть выточена и подвергнута термообработке для получения ответственной детали диаметром свыше 100 мм с сохранением свойств по всему объему.

Хладноломкость

При экспозиции низких температур материалы становятся хрупкими, что негативно сказывается на их пластичности и ударной вязкости. При работе в условиях динамических нагрузок и низких температур детали могут разрушиться. При выборе материала для изготовления деталей, работающих в экстремальных условиях, важным параметром является хладноломкость.

Наличие никеля в материале увеличивает порог хладноломкости. Также на этот показатель влияет содержание молибдена. Для увеличения хладноломкости желательно получить мелкозернистую структуру материала путем высокого отпуска. Однако наличие серы и фосфора может негативно повлиять на формирование такой структуры.

Выбор неподходящего материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья, может привести к катастрофическим последствиям. Например, вал из стали 40, прошедший улучшение в умеренном климате, может работать несколько лет. Однако при эксплуатации в условиях мороза свыше 50°С на Чукотке он может сломаться уже через первые месяцы.

Механические свойства после улучшения

Улучшенные углеродистые стали имеют невысокую прокаливаемость, поэтому они используются для изготовления деталей диаметром не более 10 мм. После улучшения они характеризуются пределом прочности 600-700 МПа, ударной вязкостью 0,4-0,5 МДж/м2 и твердостью 40-50 HRC.

Если элементу требуется большая поверхностная прочность, его подвергают закалке токами высокой частоты. Для изделий диаметром более 30 мм используются легированные металлы для придания качеств, полученных улучшением. Они обладают мелким зерном, малыми остаточными напряжениями после ТО и высокой стойкостью к отпуску.

Легирующие элементы, такие как хром и никель, обеспечивают предел прочности 1020 МПа, предел усталости 14 Мпа, поперечное сужение 41% и твердость 241 HВ. Также для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий, а для повышения прокаливаемости - бор.

Для производства шестерен из стали 40ХН, необходимо обеспечить высокую твердость рабочей поверхности, а также сохранить пластичность и вязкость. Процесс изготовления начинается с объемной штамповки заготовки. Далее проводится отжиг, который придает материалу твердость НВ = 172…175. Затем следует улучшение, которое включает каление в масле при температуре 820-840°С и отпуск при температуре 600-620°С. Это позволяет достичь твердости НВ = 241…244. После этого проводится механическая обработка, а затем термическая обработка, которая включает каление не глубже 3 мм и низкий отпуск при температуре 220°С. Твердость HRC составляет 56…62. Наконец, производится шлифование зубьев.

При выборе режимов термической обработки необходимо учитывать степень легирования, диаметр и размер заготовки, переходы, являющиеся источниками напряжений, прилагаемые динамические нагрузки, условия работы и требуемую твердость.

Улучшение стали при изготовлении деталей

Улучшаемые стали

Различные категории стали могут быть улучшены в зависимости от их состава и назначения. Существуют три основные категории конструкционных сталей, которые могут быть улучшены: углеродистые, малолегированные и среднелегированные. Углеродистые стали содержат от 0,25% до 0,6% углерода и могут быть улучшены для повышения прочности и твердости. Малолегированные стали содержат не более 3% легирующих элементов и также могут быть улучшены для улучшения их механических свойств. Среднелегированные стали содержат от 3% до 10% легирующих элементов и часто используются для специальных приложений, таких как производство авиационных деталей.

При процессе закалки деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже точки Ас1, чтобы обеспечить сквозную прокаливаемость. В результате этого процесса в детали образуется мартенсит, что улучшает их механические свойства.

Углеродистые улучшаемые стали
Сталь 35, 40, 45, 50, 55 с низкой прокаливаемостью (до 10-15 мм) используется для изготовления деталей небольшого сечения и простой формы.

Легированные улучшаемые стали
Легированные улучшаемые стали применяются для деталей машин большого сечения, которые подвергаются средним и тяжелым нагрузкам при работе в динамических и циклических режимах. Они также используются для изготовления деталей сложной формы с целью снижения критической скорости охлаждения при закалке.

Хромистые и марганцовистые стали
Хромистые стали (35Х, 40Х, 45Х, 50Х) и марганцовистые стали (35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 45Г2) являются наиболее доступными и используются для средненагруженных деталей сечением до 30-35 мм. При увеличении концентрации углерода их прочность возрастает, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются. Хромистые стали могут быть склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска рекомендуется их быстрее охлаждать (в воде или масле), чтобы предотвратить этот эффект.