Углеродистые стали, упрочняемые мартенситным превращением » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Углеродистые стали, упрочняемые мартенситным превращением

10.06.2021

Углеродистые стали при соответствующем содержании углерода приобретают в результате закалки и отпуска высокий комплекс механических свойств, необходимый для пружин. Только в малых сечениях (диаметром <2 мм) углеродистая сталь после закалки и отпуска по абсолютным значениям прочностных свойств уступает патентированной и наклепанной. Однако для полуфабрикатов или изделий в больших сечениях, которые нельзя получить с высоким обжатием при холодной пластической деформации, необходимой для упрочнения после патентирования, но когда при закалке может быть достигнута полная прокаливаемость, свойства стали после двойной термической обработки будут более высокими, чем после патентирования.

После закалки и отпуска пружинная сталь приобретает высокие и притом практически изотропные значения предела упругости и релаксационной стойкости, превосходящие при равной прочности эти характеристики для патентированной и затем деформированной стали.

По указанным причинам в промышленности широко используют закаленную и отпущенную проволоку, отличающуюся прямолинейностью, или ленту, изготовляя из них пружины сравнительно простой конфигурации. Готовые пружины подвергают в дальнейшем только низкому отпуску главным образом для снятия напряжений. Поверхность термически обработанной ленты, обладающей высокой прочностью и высоким значением предела упругости, для уменьшения опасного влияния концентраторов напряжений и склонности к хрупким разрушениям шлифуют и полируют, а кромки делают закругленными. После отделки поверхности ленту подвергают низкому отпуску в воздушной среде, в процессе которого на поверхности возникает тонкая окисная пленка, и лента становится колоризованной. Этот процесс колоризации улучшает коррозионную и эксплуатационную стойкость ленточных пружин. Последний эффект объясняется более полным разложением остаточного аустенита, снятием зональных напряжений и улучшением субструктурного состояния поверхностного слоя. Однако применяемые на практике режимы колоризации ленты не всегда обеспечивают достижение оптимальных свойств и в этих случаях после изготовления пружины целесообразно подвергать дополнительному отпуску.

Операции, улучшающие качество поверхности, в сочетании с последующим низким отпуском позволяют достигнуть высоких значений пределов упругости и выносливости. Поверхность закаленной и отпущенной проволоки также целесообразно подвергать шлифованию и полированию с последующим низким отпуском, что повышает ее усталостную прочность и сопротивление замедленному разрушению.

В тех случаях, когда пружины должны иметь сложную форму, которую им придают сложной гибкой или штамповкой с вытяжкой, исходные полуфабрикаты должны быть в отожженном состоянии. В этом случае готовые пружины, имеющие необходимую конфигурацию, подвергают закалке и отпуску.

Для изготовления пружин, подвергаемых как деформационному упрочнению, так и закалке с отпуском, используют стали с повышенным содержанием углерода — 0,7—1,2%. Выбор этих сталей обусловлен тем, что с повышением содержания углерода увеличиваются прочностные свойства мартенсита, включая и сопротивление малым пластическим деформациям. Однако прочностные свойства стали в целом при повышении концентрации углерода могут даже снижаться из-за возрастания количества остаточного аустенита. Для учета влияния остаточного аустенита в углеродистой стали можно использовать формулы, предложенные И.Н. Кидиным, М.А. Штремелем и Ю.Г Андреевым, что надежнее, чем метод линейной экстраполяции графических зависимостей свойств двухфазной структуры (мартенсит и остаточный аустенит) к 100% мартенсита, так как при малых количествах остаточного аустенита предел текучести изменяется более сильно, чем при больших.

Рост упрочнения в зависимости от содержания углерода наблюдается не только в закаленной стали, но и после отпуска. Поэтому для пружинных сталей установлена повышенная концентрация этого элемента.

С увеличением содержания углерода сильно возрастают пределы упругости и текучести стали после закалки и отпуска (рис. 47), а также снижается внутреннее трение при повышенных напряжениях, или так называемое микропластическое внутреннее трение. Это объясняется тем, что с увеличением содержания углерода изменяется субструктура мартенсита и в результате отпуска выделяется возрастающее количество частиц карбидной фазы, играющих роль препятствий для движения дислокаций. Надо также учесть, что с ростом содержания углерода уменьшается коэффициент его диффузии. Поэтому чем выше содержание углерода, тем выше температура, до которой сохраняется оптимальное тонкое строение a-фазы, и дисперсность частиц карбидов, определяющие высокий предел упругости.

Это позволяет назначать для высокоуглеродистой стали более высокие температуры отпуска, чем для среднеуглеродистой, и поэтому полнее снимать остаточные напряжения, сохраняя при этом тонкое строение матрицы. Предел упругости и температура отпуска, соответствующая его максимуму, зависит от содержания углерода следующим образом:
Углеродистые стали, упрочняемые мартенситным превращением

Таким образом, во всех случаях, когда нужно получить высокую упругость и другие необходимые характеристики пружин, следует выбирать высокоуглеродистую сталь, предпочтительно марок У10А—У12А. Хотя эти стали после закалки содержат в мартенсите такую же высокую концентрацию углерода, как и У8А или У9А, но последние характеризуются большей склонностью к росту зерна, что нежелательно. Сечение изделий и полуфабрикатов из углеродистой стали должно быть таким, чтобы обеспечивалась полная прокаливаемость. Фиксирование в структуре даже малых количеств троостита резко снижает предел упругости.

Для получения высоких упругих свойств пружины из углеродистой стали подвергают не только обычной закалке с отпуском, но и ступенчатой закалке с отпуском или изотермической закалке. Химический состав и свойства углеродистых пружинных сталей приведены в табл. 1 и 5. Температуры закалки пружин из стали У8А—У12А: 770—780° С при охлаждении в воде и 790—800° С при охлаждении в масле. Температуру отпуска можно изменять в широких пределах от 350 до 440° С в зависимости от требуемых предела прочности, предела упругости, пластичности и вязкости. Твердость пружин после отпуска обычно лежит в пределах 44—48 HRC. При более высокой твердости повышается склонность к замедленному хрупкому разрушению под нагрузкой. Исходя из этих же требований к механическим и упругим свойствам, назначают продолжительность отпуска. Максимальная температура службы пружин из углеродистых сталей 150° С.


Ступенчатая закалка используется главным образом при изготовлении высокопрочной пружинной ленты, поскольку этот метод позволяет получить ленту без трещин и с минимальным короблением. Учитывая, что закалка и отпуск ленты осуществляются в этом случае непрерывно поточным методом, нельзя указать истинную температуру ленты при ее движении с большой скоростью через закалочную или отпускную печь (ванну). Поэтому обычно указывают лишь температуру на входе и выходе закалочной печи и температуру отпускной ванны. Например, при обработке ленты из стали У10А температура на входе закалочной печи (длина печи 4 м) 840° С, а на выходе 930° C при движении ленты толщиной 0,3 мм со скоростью 8 м/мин. После переохлаждения в свинцовосурьмяном сплаве с температурой 320° С и последующего полного охлаждения ленты, в процессе которого происходит мартенситное превращение с максимально возможной степенью полноты, производится отпуск также в условиях непрерывного движения ленты при температуре ванны от 380 до 580° С в зависимости от требуемой прочности.

Для ленты из стали У10A температура отпускной свинцовой ванны следующая, °С:

Если отпуск производится в так называемых «утюжках», то температура в них поддерживается на 50—60 град выше, чем в свинцовой ванне.

Свойства сталей У8А и 70С2ХА (ЭИ142) после ступенчатой закалки и отпуска могут быть существенно улучшены, если этой закалке подвергнуть стали после предварительного патентирования. При этом улучшается прочность, но особенно заметно возрастает число гибов с перегибом.

Изотермической закалке подвергают готовые пружины из сталей У8А—У12А. Пружины нагревают до 800—820° С, затем выдерживают в ваннах для распада переохлажденного аустенита на нижний бейнит при 250—360° С в течение 10—20 мин, и, наконец, охлаждают в воде (или на воздухе). Как показывают проведенные работы, свойства пружин можно заметно улучшить, проводя после изотермической закалки дополнительный отпуск при температурах образования, нижнего бейнита.

Анализ значений предела упругости углеродистых сталей, полученных в результате их упрочнения мартенситным превращением, показывает, что при соответствующем содержании углерода углеродистые стали не уступают легированным.

Отличаясь высокими упругими свойствами, углеродистые стали, как материал для пружин, имеют в то же время и определенные недостатки.

Во-первых, после фазового и тем более деформационного наклепа эти стали обладают меньшей релаксационной стойкостью, чем легированные. Поэтому, если пружины должны работать в условиях релаксации напряжений или если требуется сниженное прямое или обратное упругое последействие, предпочтительно применять легированную сталь.

Во-вторых, углеродистые стали имеют малую прокаливаемость и поэтому из них нельзя изготовлять сравнительно крупные пружины, подвергаемые обычной или тем более изотермической закалке. Кроме того, из-за низкой устойчивости переохлажденного аустенита закалка, даже пружин малого сечения, должна осуществляться при значительных скоростях охлаждения. Это приводит к получению высоких остаточных напряжений, релаксация которых в процессе службы вызывает нестабильность характеристик пружины.

В-третьих, углеродистые стали отличаются малой устойчивостью против отпуска и поэтому повышение температуры отпуска для увеличения пластических свойств и более полного снятия остаточных напряжений приводит к сильному понижению упругих и прочностных свойств. Поэтому в пружинах из углеродистой стали не удается получить необходимого в ряде случаев сочетания высоких упругих свойств и повышенной пластичности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: