Улучше́ние — комплексная термическая обработка металлов, включающая в себя закалку и последующий высокий отпуск.
Описание
В результате закалки сталей чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита, иногда — структуру сорбита, троостита или бейнита. Мартенсит имеет высокую прочность, твёрдость, низкую пластичность, при обработке разрушается из-за хрупкости. Структура мартенсита неравновесная, имеются остаточные напряжения. Высокий отпуск и выдержка при температуре 450..500 °C приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки и образования сорбита отпуска. В результате отпуска снижаются твёрдость и прочность; повышаются пластичность и ударная вязкость.
Примеры улучшаемых сталей
Это заготовка статьи о технике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.
Полезное
Смотреть что такое «Улучшение (термообработка)» в других словарях:
Улучшение стали — Улучшение термообработка стали, состоящая из закалки и высокого отпуска. Стали, которые можно подвергать улучшению, называются улучшаемыми (0.3 0.6% С). Структура, получаемая в результате улучшения: сорбит … Википедия
Улучшение — термообработка стали, состоящая из закалки и высокого отпуска. Стали, которые можно подвергать улучшению, называются улучшаемыми (0.3 0.6% С). Структура, получаемая в результате улучшения: сорбит … Википедия
УЛУЧШЕНИЕ — (термообработка) двойная термическая обработка железоуглеродистых сплавов, заключающаяся в закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском (550 650°С) … Металлургический словарь
Технология авиастроения — область технологии машиностроения, включающая процессы, методы, способы и технические средства изготовления изделий авиационной техники. В начальный период развития авиационной техники Т. а. располагала ограниченными средствами, которые… … Энциклопедия техники
технология авиастроения — технология авиастроения область технологии машиностроения, включающая процессы, методы, способы и технические средства изготовления изделий авиационной техники.В начальный период развития авиационной техники Т. а. располагала ограниченными … Энциклопедия «Авиация»
технология авиастроения — технология авиастроения область технологии машиностроения, включающая процессы, методы, способы и технические средства изготовления изделий авиационной техники.В начальный период развития авиационной техники Т. а. располагала ограниченными … Энциклопедия «Авиация»
Сталь — У этого термина существуют и другие значения, см. Сталь (значения). Сталь Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ… … Википедия
обработка — Отделка. См. улучшение. Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. обработка переработка, производство, изготовление, возделывание, манипуляция, отделка, исправление, улучшение;… … Словарь синонимов
МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ — железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые … Энциклопедия Кольера
ални — (от алюминий и никель), магнитотвёрдые сплавы Fe (осн.) с Ni (20 34%) и Al (11 18%), иногда с добавками Cu, Со, Si, Ti. Изготовляют постоянные магниты. * * * АЛНИ АЛНИ, тройные литые высококоэрцитивные сплавы системы железо (см. ЖЕЛЕЗО) (Fe)… … Энциклопедический словарь
Во многих случаях от конструкционных сталей требуется оптимальное сочетание хорошей твёрдости с достаточной вязкостью сердцевины. Такой структурой обладают улучшаемые стали, как легированные, так и нелегированные. Их характерная особенность – содержание углерода в диапазоне 0,3…0,6%. Само улучшение представляет собой процесс комбинированной термической обработки, который включает закалку с последующим высоким отпуском, благодаря которому в структуре материала, наряду с аустенитом и мартенситом присутствует также значительное количество пластичного сорбита.
Классификация и марки улучшаемых сталей
По условиям эксплуатации такие стали используются для ответственных деталей зубчатых передач – шестерён, валов-шестерён, зубчатых колёс, которые функционируют в условиях как обычных, так и циклических знакопеременных нагрузок.
Эксплуатационная стойкость может быть достигнута сочетанием двух схем термической обработки: упрочнением поверхностного слоя (закалка, причём не только пламенная, но и электрическая, с применением токов высокой частоты) при пластично-вязком внутреннем слое, который является своеобразной подложкой для поверхностных объёмов.
Почти все стали, пригодные для улучшения, отличаются плохой свариваемостью.
Сущность процесса улучшения
На первой стадии процесса улучшаемое изделие подвергается отжигу, цель которого – снять возможные внутренние напряжения. Диапазон температур отжига колеблется от 680…720 0 С (для инструментальных сталей) до 800…900 0 С – для конструкционных. С ростом процентного содержания углерода температуру отжига снижают.
Закалка проводится при тех же режимах, что и для одностадийных упрочняющих операций термообработки (от 900 до 1200 0 С), но после закалки обязательно следует высокий отпуск, температура которого не должна быть ниже 500…700 0 С.
Термообработке поддаются улучшаемые конструкционные стали, для работы которых необходимо сочетание прочности и вязкости, что обеспечивает такая результирующая структурная составляющая как сорбит. Представляя собой зернистый перлит с наличием некоторого количества остаточного аустенита, структура сорбита обязательна именно в поверхностных и подповерхностных слоях.
Для улучшения структуры и уменьшения деформации при термообработке закалку проводят в масле. Это снижает коробление (особенно в деталях, резко неравномерных по своему поперечному сечению) и способствует повышению точности улучшаемых изделий.
Отпуск чаще всего производится на спокойном воздухе при температуре 580…650 0 С.
Важнейшее значение для соблюдения технологии улучшения имеет режим отпуска, влияющий на твёрдость детали. Отпуск пружинных сталей ведётся при 450…550°C, итоговая твёрдость не превышает 42…45 HRC. С повышением температуры отпуска до 550…650 0 С твёрдость достигает 62…65 HRC, что характерно для быстрорежущих сталей.
Закалка при улучшении обычно выполняется в печах, оснащённых опцией защитного газа. Защитный газ предотвращает окисление поверхности во время термообработки, что важно для высокотемпературных термических печей периодического действия.
Для некоторых видов улучшаемых изделий большое значение имеет время выдержки при температуре отпуска; увеличенное время выдержки будет соответствовать более высокой температуре.
В зависимости от марки стали в определенных температурных интервалах может возникать такое опасное явление, как отпускная хрупкость. Области отпускной хрупкости устанавливаются по данным марочников сталей.
Используемые технологии
Преимущественное распространение получили три варианта улучшения:
Для улучшаемых инструментальных сталей вместо отпуска проводят отжиг, при этом температуру закалки (по сравнению с рекомендуемой) увеличивают на 20…30 0 С. Такую термообработку предусматривают после черновых металлорежущих операций.
Какая сталь – улучшаемая? Такой вопрос часто задают термисты, учитывая, что класс улучшаемых при термической обработке изделий чётко не выражен. По современным воззрениям, в расчёт преимущественно принимаются два критерия – прокаливаемость и хладноломкость.
Прокаливаемость
Каждая сталь имеет «предельный» размер сечения, выше которого невозможно достичь полной закалки (повышения твёрдости). Для обеспечения оптимальных свойств сечения требуется либо материал более высокого качества, либо повышение скорости охлаждения, возможно, даже с использованием охлаждающих сред с пониженной температурой (охлаждение в сплошном потоке).
Однако более высокая скорость закалки всегда увеличивает риск деформации или растрескивания, а быстрое охлаждение снижает ударную вязкость.
На прокаливаемость влияют следующие факторы:
Для сталей с повышенным содержанием углерода (быстрорежущих) на прокаливаемость влияет также поверхностное обезуглероживание.
Хладноломкость
Хладноломкость представляет собой явление пониженной пластичности материала при комнатных температурах. Опасность заключается в том, что внешне заготовка выглядит обычной, но при механической обработке коробится, а затем растрескивается. Особенно большой вред наносит хладноломкость деталям с тонкими рёбрами и полотнами, которые изготовлены из высокоуглеродистых сталей.
На хладноломкость влияет также наличие мартенситной структуры, а также повышенный процент серы и фосфора в жимсоставе. Если изменить режим улучшения невозможно, следует либо заменить материал, либо конструктивным образом избавиться от участков, имеющих тонкие и острые кромки.
Механические свойства после улучшения
Для некоторых, наиболее употребительных марок сведены в таблицу:
Материал
Предел прочности, МПа
Предел пластичности, МПа
Относительное удлинение, %
Ударная вязкость, МДж/м 2
Диапазон хладноломкости, 0 С
45
610
16
0,5
0…-75
40Х
1000
800
9
0,4
-20…-60
30ХГСА
1100
850
10
0,5
-20…-60
40ХН
1000
800
11
0,7
-30…-100
40ХН2МА
1100
950
12
0,8
-40…-120
Сферы применения
Улучшаемыми являются стали, из которых производят:
Улучшению подвергают и другую продукцию из среднеуглеродистых сталей, для которых важно иметь сорбитную микроструктуру.
Улучшение стали – комплекс операций по проведению термической обработки, в который включены закалка и высокий отпуск. У обработанных деталей повышаются:
Сущность процесса улучшения
Процессу улучшения подвергаются конструкционные улучшаемые стали трех категорий:
При закалке деталь подвергается нагреву до температуры на 30°С ниже чем в точке Ас1. На данном этапе необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость. В детали преобладает внутренняя структура – мартенсит.
Структура улучшаемой стали
Высокий отпуск производится при температуре от 550°С до 650°С. За счет чего структура металла переходит в сорбит и получается однородной и мелкозернистой.
Максимального эффекта можно добиться если во время проведения закалки не образуется феррит и бейнит.
Термическое улучшение металлов позволяет менять такие показатели как:
Технология проведения улучшения
При закалке, упрочнении, температура нагрева подбирается исходя из состава металла. Если для конструкционных среднеуглеродистых сталей ее можно подобрать согласно диаграммы железо-углерод, то для получения аустенита в металле содержащем легирующие элементы (хром, молибден, ванадий, никель и прочие) необходимо увеличить температуру нагрева.
Интенсивное охлаждение производится в двух средах: воде и масле. Охлаждению в воде подлежат углеродистые металлы, а в масле — легированные, так как водная среда может провоцировать образование внутренних трещин и деформаций.
Внутреннюю структуру мартенсит можно преобразовать средним или высоким отпуском. Температура проведения отпуска в значительной мере зависит от процентного содержания легирующих элементов.
Применение улучшения
После улучшения из углеродистых сталей производятся детали, на которые, которые требуют увеличенной прочности. Это детали типа вал, втулка, шестерня, зубчатое колесо, втулка. Использование углеродистых сталей обусловлено дешевизной изготовления и технологичностью.
Улучшение стали применяется при изготовлении червячного вала
Материалы с высоким содержанием углерода (60, 65) после улучшения используются для изготовления пружинных и рессорных изделий.
Введенные легирующие элементы позволяют изготавливать из этих сталей ответственные детали большего диаметра испытывающие более сильные нагрузки. После проведения термообработки у них сохраняется вязкость и пластичность с повышением прочности и твердости, а также понижается порог хладноломкости.
Прокаливаемость
Механические свойства элементов конструкции зависят от однородности структуры металла, которая напрямую зависит от сквозной прокаливаемости, минимального диаметра. Данный параметр характеризует образование более половины мартенсита. Так в таблице приведены некоторые показатели, при которых выдерживается критический диаметр.
Марка стали
Проведение закалки при температуре, °С
Критический диаметр, мм
Среда интенсивного охлаждения
вода
масло
45
840…850
до 9
до 25
45Г2
840…850
до 18
до 34
40ХН2МА
840…850
до 110
до 142
38Х2МФА
930
до 72
до 86
Как показывает практика, на прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Особенно это заметно при наличии никеля. Его присутствие позволяет закаливать детали большого диаметра. Так из стали 40ХН2МА можно выточить и подвергнуть термообработке ответственную деталь диаметром свыше 100 мм с сохранением приданных свойств по всему объему.
Хладноломкость
Отрицательные температуры способствуют переходу в хрупкое состояние, что сказывается на показателях пластичности и ударной вязкости. При воздействии динамических нагрузок низких температур детали разрушаются. При подборе материала, из которого будут изготовлены детали, работающие в экстремальных условиях, в первую очередь пользуются таким параметром, как хладноломкость.
Порог хладноломкости в зависимости от содержания никеля
График характеризует, что повышенное наличие никеля увеличивает порог хладноломкости. Также на это значение оказывает влияние молибден.
Мелкозернистая структура, получаемая при высоком отпуске способствует увеличению показателя хладноломкости.
Зависимость порога хладноломкости от размера зерна
График показывает зависимость от размера зерна:
1 – размер зерна 0,002-0,01 мм;
2 – размер зерна 0,05-0,1 мм.
Наличие серы и фосфора отрицательно влияют на формирование мелкозернистой структуры.
Неправильный выбор материала для изготовления изделий, работающих в условиях крайнего севера и заполярья не раз приводил к катастрофическим последствиям. Например, вал, изготовленный из ст. 40 и прошедший улучшение в умеренном климате, работает не один год. А на Чукотке при морозе больше 50°С он сломается в первые месяцы эксплуатации.
Механические свойства после улучшения
У улучшаемых углеродистых сталей невысокая прокаливаемость. Поэтому стали с 30 по 50 используются для изготовления деталей диаметром не больше 10 мм. После улучшения для них характерны следующие параметры:
Если элементу по условиям эксплуатации требуется большая поверхностная прочность, то его подвергают закалке токами высокой частоты (ТВЧ).
Для изделий диаметром более 30 мм для придания качеств, полученных улучшением применяются легированные металлы. При высокой скорости закаливания, большего критического диаметра наряду с мелким зерном, у них наблюдаются малые остаточные напряжения после ТО и высокая стойкость к отпуску.
Так, сплав железа, имеющий в своем составе хром и никель, после улучшения имеет следующие параметры:
Кроме широко используемых легирующих элементов для измельчения зерна используют титан, ниобий и цирконий. Для повышения прокаливаемости применяют бор.
Улучшение стали при изготовлении деталей
Для примера можно рассмотреть маршрут изготовления детали шестерня из стали 40ХН. Для данного типа деталей требуются высокие значения твердости рабочей поверхности, а также хорошая пластичность и вязкость.
Технологический процесс выглядит так:
Выбирая режимы термической обработки при улучшении следует учитывать следующие факторы:
Улучшаемые стали
Улучшаемые стали — это конструкционные материалы:
Легированные стали можно поделить на несколько категорий:
Особо стоит отметь плохую свариваемость улучшаемых металлов. Она производится при соблюдении некоторых мер, сохраняющих требуемые характеристики.
Улучшение стали — процесс, технология, улучшаемые стали
Улучшение стали – комплексная термообработка стали, заключающаяся в закалке детали с последующим высоким отпуском стали, обеспечивающая хорошие показатели прочности и пластичности.
Сущность процесса улучшения стали
После закалки стали в ней преобладают структуры мартенсита. Высокий отпуск стали заключается в нагреве, как минимум, на 20-40°C ниже точки Ac1 (см. Диаграмму железо-углерод), но не ниже 500°C, выдержке и контролируемом охлаждении детали.
Улучшение сталей на диаграмме железо-углерод
На втором этапе улучшения сталей – процессе высокого отпуска стали – происходит диффузионный распад мартенсита до образования сорбита отпуска (см. Элементы теории термической обработки). Сорбит отпуска имеет однородную и дисперсную структуру.
Хромистые стали
Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х, 50Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость.
Прокаливаемость сталей невелика и для ее увеличения легируется бором (0,002…0,005%). Критический диаметр стали 35ХР при закалке в воде составляет 30…45 мм, а в масле 20…30 мм.
Введение 0,1…0,2 % ванадия (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Значение механических свойств некоторых улучшаемых сталей после термообработки приведены в таблице 10.
Некоторые улучшаемые стали пригодны для поверхностной закалки (плазменной и индукционной), в частности — сталь 45.
Основным свойством улучшаемых сталей является прокаливаемость, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь (сквозное улучшение). Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей — предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия.
После улучшения гарантируются следующие свойства сталей: временное сопротивление σВ от 55 до 150 кгс*мм-2, удлинение δ5 от 6 до 50%, поперечное сужение ψ=30-60% (по данным ). Изменение значений этих свойств в зависимости от температуры отпуска иллюстрируется «диаграммами улучшения» (пример на рисунке).
Термическая обработка. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.
Улучшение стали 45
Углеродистая улучшаемая сталь 45 имеет низкую прокаливаемость и после термического улучшения предназначается для изготовления деталей небольшого сечения (до 15 мм). Режим термообработки, в частности, термического улучшения, стали 45 подбирается в зависимости от размеров, вида изделия (прокат, поковки..) и его назначения. Режимы термообработки — закалки и отпуска при улучшения стали 45 для различных сечений приводятся в стандарте ГОСТ 1050-88. Сталь качественная и высококачественная…
Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)
Хромомарганцевые стали
Совместное легирование сталей хромом (0,9…1,2 %) и марганцем (0,9…1,2 %) позволяет получить достаточно высокую прочность и прокаливаемость (например, 40ХГ), однако они имеют пониженную вязкость, пониженный порог хладноломкости (от 20 0С до минус 60 0С). Введение титана снижает склонность к перегреву, а добавление бора увеличивает прокаливаемость.
Таблица 10 — Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей
Мы производим по чертежам Заказчика или режимам термической обработки термообработку сталей (в т.ч. нержавеющих, инструментальных и т.п.), а так же иных металлов и сплавов (алюминиевых и титановых, латуней и бронз, и т.д.).
Кроме улучшения стали мы производим и иные виды термической обработкиметаллов на заказ, например:
Хромокремнемарганцевые стали
Обладают высокой прокаливаемостью, прочностью, хорошей вязкостью. Применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивления хрупкому разрушению. Рекомендуется вводить до 3 % Ni. При большем содержании получается много остаточного аустенита. Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм используют стали марок 40ХН, 45ХН, 50ХН.
Хромоникелемолибденованадиевые стали
Кроме молибдена, добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Стали марок 38ХН3МФ и 36Х2Н2МФА применяют для деталей больших сечений (1000…1500 мм и более). В сердцевине после закалки образуется бейнит, а после отпуска — сорбит. Стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплостойкость. Эти стали можно использовать при температурах 400…450 0С при изготовлении наиболее ответственных деталей турбин, компрессоров, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях (поковки валов и цельнокованных роторов турбин, валы высоконапряженных турбовоздуходувных машин, детали редукторов и т.д.).
