Методическое пособие 610

Продолжение табл.2

29

Рис.17. Равносторонний концетрационный треугольник и положение на нем сплава А50В30С20

Сложность исследования объемных диаграмм состояния предусматривает их анализ с помощью вертикальных политермических сечений, дающих фазовый состав определенной серии сплавов при всех температурах или с помощью горизонтальных (изотермических) сечений (рис. 18, 19), показывающих фазовый состав любого трехкомпонентного сплава данной системы при конкретной температуре.

Наличие легирующих элементов резко расширяет возможный фазовый состав сталей, изменяющийся в зависимости от температуры и концентрации.

30

Рис.18. Изотермический разрез системы Fe-Mo-Cr при

900 оС

Так, для стали, легированной хромом и молибденом, возможно существование пяти фаз (рис.25), не считая соединений с углеродом в виде карбидов: (ОЦК), (ГЦК), (Fe3Mo2 –

гексагональная), (FeMo4 и FeCr – тетрагональная),

(Fe36Cr12Mo10 – ОЦК).

В системе Fe-Mn-Cr обнаружено три фазы: (ОЦК),

(ГЦК) и (тетрагональная), области существования которых меняются в зависимости не только от концентрации, но и от температуры (рис.19).

Влияние легирования на вид диаграмм распада аустенита низко- и среднеуглеродистых сталей наглядно иллюстрируют рис. 20 и 21. Здесь же показаны возможные структурные состояния конструкционных углеродистых и легированных сталей, относящихся к двум основным классам: улучшаемые (стали 30 и 30ХМА) и цементуемые (стали 15 и 18ХГТ). Первый класс включает среднеуглеродистые стали (0,3 – 0,6 %С), повышенные характеристики которых могут быть получены за счет термической обработки, обеспечивающей сорбитообразную

31

структуру зернистого строения путем закалки и высокого отпуска (улучшения). Цементуемые стали применяют для изготовления деталей, требующих значительной вязкости сердцевины и высокой твердости и износостойкости поверхности (например, зубчатые колеса, коленчатые валы, штоки клапанов). Для этого изделия подвергаются химико-термической обработке (ХТО) (цементации, азотированию и т.п.), что создает переменный химический состав по глубине насыщаемой поверхности.

а

Рис.19. Изотермические разрезы системы Fe-Mn-Cr при:

а – 20 оС; б – 1000 оС; в – 900 оС 32

Сталь 30

а

Сталь 30ХМА

б в Рис.20. Диаграммы изотермического превращения аусте-

нита: а - в углеродистой стали; б – в легированной стали; в - термокинетическая диаграмма легированной стали

33

Такие стали не требуют исходного высокого содержания углерода (С < 0,2 %), так как его недостаток в поверхностном слое до 3 мм легко может быть компенсирован при проведении ХТО, а низкая закаливаемость более глубоких слоев гарантирует их вязкость.

Цементация стали (насыщение поверхности углеродом) производится, как правило, при закалочных температурах, достаточных для хорошей диффузии углерода. Это позволяет осуществлять закалку сразу после цементации или после предварительного подстуживания. Окончательной операцией при цементации является низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения, но не снижающий в цементованном на глубину 0,5 - 4 мм слое твердости, достигающей на поверхности величины 750 – 950 HV.

В отличие от цементации азотирование (диффузионное насыщение поверхности атомами азота) проводят после основной ТО (улучшения), так как она производится при температурах 500 – 600 оС. Твердость азотированного слоя (HV 1000 – 1200) выше, чем у цементованного, но глубина не превышает 0,4 – 0,6 мм. К достоинствам азотирования относится сохранение твердости при нагреве до 500 – 600 оС и хорошая коррозионная стойкость азотированого слоя в атмосферных условиях. Однако процесс азотирования весьма длителен (50 – 80 ч) и эффективен только для легированных сталей, где возможно получение когерентных выделений, обеспечивающих высокую твердость при азотировании.

Конечные механические свойства улучшаемых сталей зависят от температуры закалки и отпуска (табл. 3), причем верхний уровень закалочных температур ограничивается возможным ростом зерна аустенита, а температура отпуска связывается с уровнем трудности распада мартенсита и способностью карбидов к коагуляции.

Работоспособность химико-термически обработанных деталей во многом зависит от прочностных характеристик не только поверхностных слоев, работающих, как правило, на из-

34

нос, но и сердцевины детали, находящейся в режиме динамического нагружения.

Целью настоящей работы является изучение влияния различных режимов термообработки на структуру и свойства сталей двух классов.

Сталь 15

а

Рис. 21. Термокинетическая диаграмма цементуемой углеродистой стали (а) и диаграмма изотермического превращения аустенита легированной стали (б)

35

Сталь 18ХГТ

б

Рис. 21. Термокинетическая диаграмма цементуемой углеродистой стали (а) и диаграмма изотермического превращения аустенита легированной стали (б) (продолжение)

36

Таблица 3 Механические свойства сталей 30ХМА и 18ХГТ после

различных видов термической обработки

Цементуемые легированные конструкционные стали. Для изучения структуры цементуемых сталей рассмотрим наиболее типичную хромоникелевую цементуемую сталь 18ХНВА. Эта сталь применяется для ответственных деталей – коленчатых валов, валов редуктора и т.п. Она относится к сталям мартенситного класса, то есть при любой скорости охлаждения имеет структуру мартенсита. Для лучшей обрабатываемости резанием она подвергается высокому отпуску при 650 – 680 0С на сорбит.

На рис. 22 показана микроструктура цементуемой стали 18ХНВА в состоянии поставки, т.е. после горячей прокатки и последующего высокого отпуска при 650 0С. Структура состоит из сорбита с неравномерным распределением углерода.

37

На рис. 23 калки с 860 0С стый сорбит.

сорбит с не-

Рис. 23. Сталь 18ХНВА: закалка с 860 0С и отпуск при 560 0С; сорбит, х500