Закалка – операция термической обработки, состоящая из нагрева до температуры выше критической . Выдержка при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей).
В результате закалки получают структуру мартенсита, сталь становится твёрдой.
Закалку используют для конструкционных и инструментальных сталей.
Температура нагрева зависит от химического состава стали, а это обычно на 30-40 градусов выше температуры . Для доэвтектоидных сталей на 30-50 выше AC3, для заэвтектоидных на 30-50 выше AСТ.
Твёрдость будет определяться наличием цементита.
Скорость охлаждения определяется закалочными средами. Обычно это минеральное масло или раствор поваренной соли.
Закалка – общее понятие. Различают разные виды понятия:
1. Закаливаемость – способность стали к повышению твёрдости при закаливании. Некоторые стали обладают плохой закаливаемостью, и к ним не принимают такой приём закаливания. Для определения закаливаемости, узнают твёрдость. Чаще всего закаливают стали с содержанием углерода больше, чем 0,3%.
2. Прокаливаемость – способность закаливаться стали на определённую глубину. Определяют по излому и по твёрдости.
3. Отпуск – операция термической обработки, состоящая из нагрева закалённой стали до температуры ниже критической (не греют до аустенита). Далее выдерживают при данной температуре с последующим медленным или быстрым охлаждением. Цель – устранение или уменьшить напряжение стали, повысить вязкость и понизить твёрдость.
a. низкий – нагрев до температуры 150-200 градусов.
b. средний – до 300-500 градусов.
c. высокий – до 500-600 градусов Цельсия.
7. Классификация, маркировка и назначение углеродистых сталей и чугунов
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино – и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления.
По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми, физическими и химическими свойствами – специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними – в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные – до 0,035% S и 0,035 % Р; высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 %Р, а особо высококачественные – не более 0,015 %S и 0,025% Р
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например Ст 0, …,Ст 6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от гарантируемых химического состава и свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы А, Б, В (группа А в марке стали не указывается). Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается горячей обработке. Для стали группы Б гарантируется химический состав; сталь подвергается обработке давлением; для стали группы В – химический состав и механические свойства; используется для сварных конструкций.
К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.
Все углеродистые качественнее конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп. Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.
Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.
Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Эти стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 подвергаются различным видам термичес-кой обработки, в результате чего они получают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.
Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например сталь марки У12 содержит в среднем 1,2% С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) – буква Ш. В марках некоторых специальных сталей буква впереди обозначения указывает на назначение: А – автоматная сталь (А30), Р – быстрорежущая сталь (Р12), Ш-шарикоподшипниковая (ШХ15), Э-электротехническая и т.д.
В зависимости, от состояния углерода чугуны делят на белые, серые, высокопрочные и ковкие.
В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа, поэтому они отличаются высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддаются обработке резанием. Белый чугун не находит применения в качестве конструкционного материала.
Серый чугун маркируется буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении. Из серых чугунов изготавливают детали простой конфигурации (крышки, стойки, кожухи, шкивы, кронштейны, зубчатые колеса, тормозные барабаны, станины станков, корпусы, коленчатые валы и др.).
Высокопрочный чугун получается присадкой в жидкий серый чугун добавок магния, церия и некоторых других элементов. Такие чугуны имеют более высокие механические свойства, и они могут быть использованы для деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Обозначают высокопрочный чугун буквами ВЧ.
Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы и поршни автомобильных и тракторных двигателей, шестерни, тормозные диски, детали прокатных станов, корпуса насосов, вентили и т. д. Некоторые высокопрочные чугуны используются в качестве антифрикционного материала в узлах трения с высокими окружными скоростями.
Ковкий чугун получают из белого чугуна путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиг, томление). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности чугуна при растяжении, а вторые – относительное удлинение.
Ковкий чугун широко используется в автомобильной, сельскохозяйственной, текстильной и других отраслях машиностроения. Из него изготовляют детали, работающие при средних и высоких статических и динамических нагрузках (подшипники, кронштейны, картеры редукторов, поршни, ступицы).
8.Легированные конструкционные и инструментальные стали и сплавы. Маркировка, классификация и применение легированных сталей.
Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода.
Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).
Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами о 0 до 7. Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.
Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают стали определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.
Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится.
В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь.
Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.
Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.
Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63-65 HRCэ и теплостойкостью до 200-250 градусов С.
Они делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки этих сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных сталей в конце маркировки указывается буква А. Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.
Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300-350 градусов С) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей., что первая цифра в начале марки означает содержание углерода в десятых долях процента.
Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRCэ и износостойкость.
Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами. Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.
Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.
Структура быстрорежущей стали (рисунок слева) - мелкие, твердые, однородно распределенные карбиды и мартенсит, легированный для теплостойкости вольфрамом и (или) молибденом
Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.
Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеродистые цементуемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность изделий приобретает высокую твердость (HRC 58-62), а сердцевина не упрочняется.
Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали – это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки, которая заключается в закалке с 820-880°С в масле с последующим высоким отпуском (550-650°С). Для тяжело нагруженных деталей крупных сечений применяют легированные стали (марки 40ХН, 30ХГСА и др.).
К конструкционным легированным сталям могут быть отнесены рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и др.
Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300-400°С).
К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г, 65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовление плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу; хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300°С) и переменных нагрузках.
Шарикоподшипниковые стали применяются для изготовления подшипников – ответственных деталей машин и механизмов. Они в значительной степени определяют точность и производительность металлорежущих станков, а также обеспечивают надежность и долговечность работы машин, в том числе автомобилей, тракторов, подвижного состава железных дорог и др. Основные требования к подшипниковым сталям: высокая статическая грузоподъемность, высокое сопротивление контактной усталости, износостойкость, высокое сопротивление малым пластическим деформациям и размерная стабильность.
Наибольшее применение для изготовления подшипников получили стали ШХ6 (1,05 – 1,15 % С и 0,4-0,7 % Сг) и ШХ15 (0,95-1,05 % С и 1,3-1,65 % Сг). Для обеспечения достаточной прочности и выносливости стали ШХ6 и ШХ15 должны иметь после закалки и отпуска HRC 61 – 65, ШХ15СГ – HRC 60 – 64.
К износостойким сталям относится высокомарганцовистая сталь марки 110Г13Л, известная под названием стали Гадфильда. Она содержит 0,9-1,4% С; 11,5-15% Мn; 0,3-1,0 % Si и небольшое количество серы, фосфора, хрома, никеля и меди. Сталь 110Г13Л используют для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного износа, в частности для зубьев ковшей, экскаваторов, траков гусеничных машин, железнодорожных стрелок и крестовин, бронеплит и дробилок и т. п.
9. Строительные, автоматные, высокопрочные, износостойкие и коррозионно-стойкие стали и сплавы. Твёрдые сплавы.