Применение конструкционных сталей и предъявляемые к ним требования

 

Рисунок 3 – Влияние легирования  углерода в эвтектоиде

 

Марганец понижает критическую  скорость закалки и увеличивает  прокаливаемость стали.

Существенным недостатком  марганцовистых сталей со средним и  высоким содержанием углерода является высокая чувствительность к перегреву при закалке. Например, повышение температуры закалки с 760-780°С до 800°С приводит к заметному росту зерна. Принято считать, что причина этого заключается в повышенной скорости растворения марганцовистых карбидов в аустените.

Особое значение имеет  отношение концентрации марганца к  углероду. При увеличении отношения  марганца к углероду порог хладноломкости падает. Упрочняя феррит и образуя  карбиды, марганец повышает прочность  стали, но при среднем и высоком  содержании углерода сильно понижает вязкость и пластичность.

 

Влияние титана.

Титан является сильным карбидообразующим  элементом, который практически  не растворим в цементите, и уже  при малых содержаниях в стали  образует собственные специальные  карбиды TiC. Он вводится для получения более высокой твердости.

 

Влияние постоянных примесей.

Кроме углерода, в стали  присутствуют такие постоянные примеси  как кремний, фосфор и сера. Содержание этих элементов в стали 18ХГТ ограничивается следующими верхними пределами: 0.37% Si; 0.035% S; 0.035% P.

 

Влияние кремния.

Кремний попадает в сталь  при раскислении. Кремний необходим для устранения вредных примесей закиси железа, а также вредных сернистых соединений железа. Растворяется в феррите и циментите. Он заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства.

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворяется в феррите, кроме той части  кремния, которая в виде окиси  кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

 

Влияние серы.

Сера, как и фосфор, попадают в металл из руд. При комнатной  температуре растворимость серы в феррите практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана  в сульфиды железа и марганца и  частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в феррите и аустените, хотя и  незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02 % в феррите при 913⁰С и 0,05 % в аустените при 1365⁰С). Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в  сульфид железа FeS, при относительно низких температурах горячей деформации стали, вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988⁰С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали.

Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные  свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию  в направлениях поперек и вдоль  прокатки. Ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления  прокатки, уменьшается с увеличением  содержания серы. А в продольном направлении с увеличением содержания серы наблюдается тенденция к  повышению ударной вязкости. Это  явление связано с усилением  полосчатости феррито-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.

 

Влияние фосфора.

Руды железа, а также  топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем  в той или иной степени и  затем переходит в сталь. Растворимость  фосфора в феррите и аустените значительно выше, чем содержание фосфора в стали как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается через изменения свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации.

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его  упрочняющем влиянии и, особенно в усилении хладноломкости стали.

Фосфор относится к  сильным упрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали обычно не превышает 0,030…0,040 %, он увеличивает предел текучести феррита на 20…30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызывать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~20…25⁰С на 0,01 % Р) благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

 

4. Технологический процесс  термообработки стали 18ХГТ

 

В термический цех сталь 18ХГТ поступает в нормализованном  состоянии в виде заготовки шестерни. Микроструктура стали 18ХГТ до заключительной термической обработки состоит из пластинчатого перлита и феррита.

Затем сталь подвергается цементации, закалки и низкому  отпуску. Термическая обработка  стали производится по схеме, представленной на рисунке 4.

 

Рисунок 4 - Режим термической  обработки стали 18ХГТ

 

Шестерни загружаются  термистом на поддоны по 3 штуки. Затем, после предварительной мойки  и сушки, поддоны попадают в цементационную печь. Цементация проходит в течение 17 часов при температуре 940⁰С. Потом они попадают в камеру охлаждения. Здесь металл охлаждаются до температуры 670⁰С. Далее поддоны проталкиваются в камеру нагрева под закалку. После нагрева поддон проталкивается на люльку, которая опускается в подогретое масло.

Температура масла 70-80⁰С. Затем шестерни моются, сушатся и проталкиваются в отпускную печь. После отпуска термист их выгружает и отправляет на дробеструйную очистку. Схема расположения поддонов представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Схема расположения поддонов

 

Термическая обработка стали 18ХГТ производится в следующей  последовательности:

1. Металл загружается  в печь после выгрузки предыдущей  садки.

2. При загрузке шестерен  на поддон необходимо, чтобы они  не выступали за края поддона.

3. После загрузки металла  в печь термист заполняет журнал, куда заносит номер загружаемого  поддона, номер и количество  детали, время загрузки.

4. Режим термической обработки  приведен на рисунке 4.

5. Контроль температуры  ведется по сводовым термопреобразователям, расположенным по одному в каждой зоне печи.

6. Контроль над правильным  ведением режима термической  обработки осуществляет контролер  ОТК и старший мастер участка.

7. По окончании термической  обработки металл выгружается  из печи.

8. После охлаждения шестерни  контролер ОТК совместно с  термистом проверяют ее на глубину цементационного слоя и на твердость.

Структура после  цементации

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура после  закалки

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура после  низкого отпуска

 

 

 

`

 

 

 

5. Контроль качества и  анализ возможного брака

 

После термической обработки  шестерни из стали 18ХГТ в термическом  цехе производится контроль:

1. Глубина цементированного слоя. Она должна быть 1,6-2,1 мм.
2. Твердость закаленного слоя должна составлять 57-62 HRC;
3. Микроструктура стали;
4. Механические свойства;
5. Толщина обезуглероженного слоя;
6. Химический состав;
7. Качество поверхности зубьев шестерни.

 

 

Брак, возможный при термической  обработке стали 18ХГТ:

1. Большой слой цементации (не исправим);
2. Маленький слой цементации (садятся на доцементацию);
3. Обезуглероживоние поверхностного слоя более 0,4 мм;
4. Трещина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Диаграмма состояния системы железо – хром (Fe-Cr)

 

 

Наиболее ранние исследования сплавов системы относятся к началу текущего столетия. К этому времени были достаточно точно установлены кривые плавкости, область существования твердых растворов хрома в γ-Fe, а также концентрационные и температурные пределы образования σ-фазы.

Диаграмма состояния в обобщенном виде по данным  приведена на рис.  На кривых ликвидус и солидус при 22 % (ат.) Сr и 1507 °С наблюдается минимум.Хром стабилизирует о. ц. к. модификации железа и образует с этими модификациями непрерывные ряды твердых растворов. Область твердыхрастворов хрома в г. ц. к. модификации железа сравнительно узкая и простирается до 13,3 % (ат.) Сr. Хром снижает температуру полиморфного α↔γ-превращения железа от 910 до 830 °С при содержании ~7,5 % (ат.). При дальнейшем увеличении содержания хрома эта температура резковозрастает. При содержании в сплавах —50% (ат.) Сr и температуре ~815°С происходит фазовая перекристаллизация α-твердого раствора с образованием так называемой α-фазы. Реакция α ↔ σ  протекает крайне медленно, и необходимы продолжительные выдержки для ее завершения. Фаза σ обладает сложной тетрагональной структурой с 30 атомами в элементарной ячейке и обычно образуется в системах - на основепереходных металлов. Фазы σ, как правило, обладают достаточно широкими областями гомогенности. В системе железо — Хром эта область при 600 °С простирается от 43 до 49 % (ат.) Сr. Периоды решетки σ-фазы а=0,880 нм, с=0,5444 нм и мало изменяются в пределах области гомогенности.

В сплавах системы образуются три сверхструктурные фазы β, θ, σ с областямигомогенности 41,9—44,2 % (ат.) Сr; 45,7—47,2 % (ат.) Сr и 49,2—51,5 % (ат.) Сr.В настоящее время методами высокотемпературного термического анализа иизмерением электросопротивления показано, что Хром является мономорфным металлом.

Минимум на кривых плавкости  отвечает содержанию 21 % (ат.) Сr итемпературе 1510°С.

При содержании 0,001 % (по массе) С и 0,002 % (по массе) N также при изменении концентрации углерода и азота в указанных пределах несколько смещается в сторону увеличения содержания хрома (на 0,7—0,8 %) положение γ/(α+γ)- и (α+γ)/α-границ двухфазной области, разделяющей γ- и α-твердые растворы.

На основе измерения электросопротивления, твердости и намагниченности построена низкотемпературная часть диаграммы состояния системы железо— Хром . Ниже 550 °С твердый раствор α и σ-фаза становятся неустойчивыми и расслаиваются на два твердых раствора (богатых и бедных хромом) с о. ц. к. решеткой. В отсутствие σ-фазы расслоение α-твердого раствора начинается при более высокой температуре. На рис. приведена низкотемпературная часть диаграммы состояния системы железо — хром, штриховой линиейпоказано начало расслоения α-твердого раствора при отсутствии σ-фазы.

Наличие области расслоения в системе согласуется с термодинамическими данными, а именно: положительным отклонением от закона идеальныхрастворов и положительной теплотой смещения. Это означает, что твердыерастворы а- и σ-фаза при понижении температуры становятся менее устойчивыми и должны распадаться на твердые растворы с меньшим и большим содержанием хрома . Температурный интервал стабильности σ-фазы соответствует 440—820 °С.