При ответе на вопрос нужно понять, что основой описания процессов, происходящих в легированных сталях при нагреве и охлаждении с различными скоростями, как и в случае углеродистых сталей, являются две диаграммы: диаграмма железо-углерод и диаграмма изотермического распада аустенита. Однако наличие тех или иных легирующих элементов оказывает значительное влияние на процессы, происходящие при нагреве и охлаждении легированных сталей.
Надо иметь в виду, что все процессы, протекающие в сталях при нагреве и охлаждении, носят диффузионный характер (кроме мартенситного превращения), а скорость диффузии легирующих элементов значительно ниже скорости диффузии углерода, причем при наличии легирующих элементов в стали замедляется и диффузия углерода. Поэтому скорости всех процессов в легированных сталях резко уменьшаются. Это, например, позволяет уменьшить скорость охлаждения при закалке на мартенсит, т.к. легирующие элементы, как и углерод, смещают линии начала и конца распада аустенита С-диаграммы вправо, уменьшая критическую скорость охлаждения. При значительном содержании легирующих элементов скорость охлаждения на воздухе становится меньше критической. Такие стали относятся к мартенситному классу, например стали Р9, Р9М5, типа Х12. Уменьшение критической скорости охлаждения позволяет проводить охлаждение при закалке в более мягком охладителе, например, не в воде, а в минеральном масле, что уменьшает термические внутренние напряжения, и, следовательно, вероятность коробления и появления закалочных трещин. В то же время снижение критической скорости охлаждения увеличивает прокаливаемость стали. поэтому крупногабаритные тяжело нагруженные детали машин, требующие сквозного улучшения, изготавливаются из легированных сталей и чем больше размеры детали, тем выше степень и сложность легирования.
Легирующие элементы, как и углерод, смещают температуры Мн и Мк в область более низких температур, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита в стали и снижению средней твердости при закалке. Для режущего инструмента это нежелательно, т.к. главное требование к нему – максимально высокая твердость. Однако увеличение количества остаточного аустенита снижает уровень фазовых внутренних напряжений, что уменьшает вероятность деформаций при закалке, а это важно для крупногабаритного инструмента, например для протяжек. При значительном количестве легирующих элементов температура Мн смещается ниже 0 С и при охлаждении на воздухе структура стали не изменяется и остается аустенитной. Такие стали относятся к аустенитному классу (например, нержавеющие стали типа Х18Н9).
При нагреве под закалку легированных сталей положительный эффект легирования проявляется, если легирующие элементы растворимы в аустените. В этом случае при закалке он превращается в мартенсит того же состава. При отпуске такой стали для получения тех же свойств, что и у простой углеродистой ста-ли с тем же содержанием углерода, её необходимо нагревать до более высоких температур, что положительно сказывается на свойствах, т.к. полнее снимаются внутренние напряжения и повышается динамическая прочность стали.
Нужно ознакомиться с классификацией, назначением и маркировкой легированных сталей.
При ответе на каждый вопрос вначале необходимо расшифровать состав заданной стали и определить, к какой группе по назначению она относится. Например, дана сталь 20Х2Н4. Это сталь хромоникелевая, содержащая 2%Cr и 4%Ni. Среднее содержание углерода 0,20%. По содержанию углерода и общему количеству легирующих элементов (6%) определяем, что сталь конструкционная, цементуемая (углерода менее 0,3%). Пусть требуется из этой стали изготовить шестерни, т.е. особым требованием является высокая твердость поверхностного слоя зубьев. Назначаем режим термической обработки – газовую цементацию, полную закалку и низкий отпуск.
В отожженном состоянии свойства стали 20Х2Н4 примерно такие же, как у низкоуглеродистой стали 20: σв = 400 – 470 МПа, σ0,2 = 250 – 300 МПа, δ= 30 – 35%, KCU = 1,0 – 1,5 МДж/м². Для получения твердого износоустойчивого поверхностного слоя на зубьях шестерни применим газовую цементацию при температуре 930 – 950 С. Глубину цементированного слоя назначаем 1,5 мм. Поскольку общая скорость цементации составляет около 0,1 мм за час выдержки, то весь процесс цементации осуществится за 12 часов. При больших выдержках может сильно вырасти зерно аустенита, что существенно ухудшит свойства цементованного слоя. В результате цементации достигается выгодное распределение углерода по сечению поверхностного слоя без значительного увеличения его твердости. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при кото-рой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Обычно закалку цементованных изделий производят с цементационного нагрева после подстуживания до требуемой температуры. Хотя этот режим самый экономичный в смысле продолжительности процесса и расхода топлива, он сохраняет крупнозернистость поверхностного слоя и сердцевины. Зерно аустенита вырастает в процессе длительного нагрева при цементации.
В нашем случае зубья шестерни должны обладать повышенными механическими свойствами. Поэтому назначаем двойную закалку. Первая закалка – полная (предназначена для измельчения зерна сердцевины). Согласно диаграмме железо-углерод температура нагрева стали с 0,2%С составляет tзак = АС3+(30÷50)0С, т.е. 860 С. Вторая закалка – неполная (предназначена для измельчения зерна поверхностного слоя). Температура нагрева стали под неполную закалку составляет tзак=АС1+(30÷50)0С, т.е. 7600С. А влияние легирующих элементов хрома и никеля на температуру закалки взаимно скомпенсировано, поскольку хром повышает температуру, а никель понижает температуру закалки на 20÷30 С. После закалки проводим низкий отпуск при температуре 160÷180 С для частичного снятия внутренних напряжений.
Рассмотрим влияние легирующих элементов на структуру и свойства данной стали. При цементационном нагреве до температуры 930 – 950 С происходит растворение хрома и никеля в кристаллической решетке аустенита, в результате чего получаем легированный аустенит. Хром и никель замедляют скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что способствует более глубокой прокаливаемости стали и уменьшению критической скорости закалки. Поэтому данную сталь при закалке охлаждаем в масле, получая структуру легированного мартенсита в сердцевине. В поверхностном слое получаем легированный цементит и легированный мартенсит. Необходимо отметить, что хром и никель понижают температуру начала мартенситного превращения Мн и увеличивают количество остаточного аустенита.
После низкого отпуска сталь в сердцевине будет иметь структуру мартенсита отпуска, в поверхностном слое - легированный цементит и отпущенный мартенсит.
После цементации сталь приобретает следующие механические свойства в сердцевине σв = 1200 – 1300 МПа, σ0,2= 1000 – 1100 МПа, δ = 1,5 – 12%, KCU = 0,8 – 1,4 МДж/м². Твердость поверхностного слоя HRC = 60 – 63.