Контрольные вопросы

1. Основные положения при термической обработки (ТО) сталей.

2. Основные параметры ТО.

3. Основные превращения в сталях при ТО.

4. Процессы, проходящие при нагреве, стали до аустенитного

состояния.

5. Диаграмма изотермического распада аустенита при охлаждении.

6. Понятие критическая скорость охлаждения стали.

7. Мартенсит и его образования в сталях.

8. Свойства мартенсита.

9. Влияние углерода и легирующих элементов на критические точки

М_н и М_к.

10. Сущность промежуточного (бейнитного) превращения.

11. Разновидности отжига первого рода и цели их проведения.

12. Разновидности отжига второго рода и цели их проведения.

13. Сфероидизирующий отжиг заэвтектойдных сталей.

14. Процессы, проходящие при закалке сталей.

15. Дефекты при закалке и причины их возникновения.

16. Понятия закаливаемость и прокаливаемость сталей.

17. Способы закалки сталей.

18. Процессы, проходящие при различных режимах отпуска сталей.

19. Цементация сталей.

20. Термическая обработка цементованных изделий.

Глава 5. Конструкционные стали унивесального применения

5.1. Рессорно-пружинные стали (рис.5.1)

а б

Рис.5.1 Двухрядная пружинная рессора (а), листовая замкнутая рессора (б)

Стали этой группы должны обладать высоким пределом упругости (текучести).

Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском (рис.5.2) для получения в структуре троостита (рис.5.3). Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легированные кремнием, хромом и ванадием.

Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Рессорно-пружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает высокие упругие свойства. Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пластичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация.

Рис.5.2 Режимы ТО рессорно-пружинных сталей: а) закалка+средний отпуск на троостит; б) изотермическая закалка на нижний бейнит

Рис.5.3 Структура троостит

Углеродистые стали используются для изготовления пружин небольшого сечения, работающих при невысоких напряжениях. Чаще для изготовления рессор и пружин используются кремнистые стали с концентрацией кремния 2 % (50С2, 55С2 и 60С2). Кремний в таких сталях задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и, стало быть, к повышению упругих характеристик. Условный предел текучести (σ_0,2) этих сталей составляет 1100–1200 МПа, предел прочности – 1200…1300 МПа, относительное удлинение 6 %, относительное сужение 30–25 % и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42–44 МПа.

К недостаткам этих сталей следует отнести их склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости (рис.5.4). В целях предотвращения образования указанных дефектов, кремнистые стали дополнительно легируют хромом, марганцем, ванадием, никелем и вольфрамом.

Рис.5.4 Обезуглероженный поверхностный слой рессорной стали в процессе горячей обработки

Стали марок 50С2, 55С2, 60С2 и 70С3А можно использовать для изготовления пружин и рессор диаметром или толщиной до 18 мм. Они проявляют стойкость к росту зерна при нагреве под закалку, но склонны к обезуглероживанию, приводящему к снижению предела выносливости.

Рис.5.5 Усталостное разрушение пружин из сталей с низким пределом выносливости

Сталь 60С2ХА идет для изготовления крупных пружин ответственного назначения. При закалке в масле она прокаливается на глубину до 50 мм. Недостатком этой стали является ее склонность к обрыву в процессе волочения.

Стали марок 60С2Н2А и 60С2ХФА обладают более высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения. При этом сталь 60С2Н2А обладает наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Общий недостаток кремнистых рессорно-пружинных сталей заключается в их повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, забоины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости.

Поэтому в настоящее время в практике широко применяются бескремнистые рессорно-пружинные стали.

При одной и той же концентрации углерода, что и у кремнистых сталей, кремний в них заменяется следующими возможными сочетаниями легирующих элементов: хром + марганец, хром + ванадий, хром + марганец + ванадий, хром + марганец + бор. Например, 50ХГ, 50ХФ, 50ХГФ, 55ХГР. Эти стали обладают повышенной вязкостью и менее чувствительны к надрезу. Для повышения эксплуатационных характеристик, особенно для пружин, работающих при длительных знакопеременных нагрузках, назначают обдувку поверхности пружин дробью. Возникающие при этом в поверхностном слое напряжения сжатия приводят к повышению предела выносливости.

Конструкционная пружинная сталь 65Г получила наибольшее распространение в производстве упругих частей разных механизмов (рессор, пружин и шайб) благодаря дешевизне, повышенной твердости и упругости. Единственным недостатком, ограничивающим ее использование в приборостроении, является невысокая усталостная прочность (менее 200.000 циклов). Сталь этой марки обладает твердостью в незакаленном виде 25 HRC, после закалки она возрастает до 61 HRC.

Наиболее высокие механические и эксплуатационные характеристики можно получить в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки, диаметром до 2 мм из углеродистой стали, подвергавшейся высоким степеням обжатия (70–90 %).

Процесс патентирования проводится между протяжками. Он заключается в нагреве проволоки на 50–100 °С свыше точки Ас₃ с последующим охлаждением в ванне с расплавленным свинцом. Температура расплава должна составлять 450–550 °С. В результате такой термической обработки происходит изотермический распад аустенита с образованием тонкопластинчатого сорбита.

Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗА, 60С2ХА и 60С2И2А: σ_в ≥ 1800 МПа; σ_0,2 ≥ 1600 МПа; δ ≥ 5 %; ≥ 20 %. Их предел упругости составляет σ_0,01=880…1150 МПа, а твердость — 38 - 48 HRC. При такой прочности и твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности. При отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых рисок и др.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кручении 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения дробью предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.