Понятие качества стали и методы его повышения. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные

Трещины и коробление могут  быть предотвращены предварительным  отжигом деталей, равномерным и  постепенным нагревом их, а также  применением ступенчатой и изотермической закалки.

 Обезуглероживание стали  с поверхности – результат  выгорания углерода при высоком  и продолжительном нагреве детали  в окислительной среде. Для  предотвращения обезуглероживания  детали нагревают в восстановительной  или нейтральной среде (восстановительное  пламя, муфельные печи, нагрев  в жидких средах).

Образование окалины на поверхности  изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева  изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности  металла углерод делает изделия  обезуглероженным с пониженными  прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление  и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т.е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при  нагреве можно избежать, если под  закалку применить пасту, состоящую  из жидкого стекла - 100 г, огнеупорной  глины - 75 г, графита - 25 г, буры - 14 г, карборунда - 30 г, воды - 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем  нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850oС инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры.

Отпуск.

Для уменьшения хрупкости  и внутренних напряжений, стали подвергают отпуску. Отпуск- нагрев закаленных заготовок до температуры, лежащих ниже температуры фазового превращения, и охлаждения их на воздухе. Повышая температуру отпуска, можно повысить пластичность и вязкость материала при одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких температурах нагрева называют улучшением. Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск, т. е. нагрев стали до небольшой температуры (150-200 градусов С), ведет к понижению остаточных внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и износостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость, обеспечивает достаточную прочность, упругость и выносливость. Ее часто применяют при изготовлении пружин и рессор. При высоком отпуске получают достаточно высокий предел упругости при достаточной ударной вязкости и твердости. В результате высокого отпуска получают структуру, которая необходима для деталей машин, подвергающихся действию высоких напряжений и ударным переменным нагрузкам ( для шатунов, болтов и др.). При всех процессах получения заготовок деталей их материал приходит в напряженное состояние, характеризуемое определенным уровнем внутренних напряжений. Поэтому перед началом механической обработки или перед окончательными операциями технологического процесса механической обработки часто проводят старение, которое ускоряет релаксацию внутренних напряжений. Различают естественное старение- длительное выдерживание деталей на складах при воздействии на них непрерывно изменяющихся атмосферных факторов, а также искусственное старение с нагревом заготовок в печах до температуры 100-150 градусов С и охлаждением вместе с печью. Для ряда изделий из закаленных легированных сталей назначают термическую обработку при отрицательных температурах. В этом случае материал получает стабильную структуру и размеры и одновременно некоторое повышение твердости, износостойкости. В качестве охлаждающей среды используется углекислота. Обработка холодом выполняется непосредственно после закалки, перед отпуском.

Нормализация.

Нормализацией называют такой  вид термической обработки, когда  сталь нагревают на 30 - 50° выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали  лучше отжигать. На практике и такие  стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 - 700°  для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры  стали к закалке.

Для некоторых изделий  нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической  обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску  для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия  на воздухе.

2)Химико-термическая обработка.

 Химико-термическая обработка- тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства. В зависимости от элемента, насыщающего поверхность заготовки, различают следующие виды обработки: цементацию, азотирование, цианирование, диффузионную металлизацию. Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностного слоя заготовок из низкоуглеродистой ( до 0.3% С) стали для создания в них после термической обработки твердой поверхности при достаточной вязкости сердцевины. Различают цементацию в твердом карбюризаторе ( древесном угле с добавками различных углекислых солей), жидкую и газовую. Поверхности заготовок, не подлежащие цементации, защищают омеднением, т. е. нанесением тонкого слоя меди и другими способами. Азотирование- процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя заготовок, изготовленных из легированных сталей. Такие легирующие элементы, как алюминий, хром, молибден и др., при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические соединения- нитриды. Азотирование протекает при более низкой температуре, нежели цементация, что является его преимуществом. Азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, которые сохраняются неизменными при повторных нагревах вплоть до 500-600 градусов С. Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхностей заготовок азотом и углеродом. Процесс цианирования может выполняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемпературное (530-650) и высокотемпературное (800-930). При цианировании используются ядовитые вещества. Жидкостное цианирование осуществляется в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. При температуре, равной примерно 900 градусам С, поверхности незначительно насыщаются азотом и цианирование практически превращается в процесс цементации. Низкотемпературное цианирование незначительно отличается от азотирования. После цианирования детали подвергаются термической обработке. Газовое цианирование, или нитроцементация, выполняется в газовой среде, состоящей из цементирующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина цианированного слоя может достичь 1.8 мм при длительности процесса 6-7 ч. Диффузионная металлизация- это процесс насыщения поверхностного слоя заготовок различными химическими элементами при совместном их нагревании и выдержке. В зависимости от используемого элемента процессы металлизации получили названия: алитирование, хромирование и т. д. Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости поверхностей деталей. Основным недостатком диффузионной металлизации является малая глубина металлизированного слоя (0.2-0.4 мм) при относительно большой длительности процесса.

IV.УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.). 
1)Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-71). Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях народного хозяйства. 
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность. 
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В (табл. 1). Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали. 
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст6ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст6, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории, последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс. ( см табл.1) Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства (табл. 2). Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.). 
Сталь группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций. 
2)Стали углеродистые качественные конструкционные (ГОСТ 1050-74). От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мп). 
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств (табл. 3). По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%). 
Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка). 
Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали (ГОСТ1414-75) с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены в основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.

Автоматные стали с  повышенным содержанием серы и фосфора  имеют хорошую - обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением  в стали технологических добавок  селена, свинца, теллура. 
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, АЗО, А40Г. Из стали А12 изготовляют неответственные детали, из сталей других марок – более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций. 
Стали листовые (котельные, ГОСТ 5520-79 и ТУ) для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450°С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К с удержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска .[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

табл.1

табл.2 табл.3

 

V.Использованная литература.

1.Иванов В.Н. Словарь-справочник  по литейному производству. –  М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил.

2.Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8)

3. [ http://osvarke.info/159-uglerodistye-konstrukcionnye-stali.html]

4. В.И.Анурьев Справочник конструктора – машиностроителя. Том 1 (под ред. И.Н.Жестковой), 2001 – с.79, 113-115

5. [http://techno.x51.ru/index.php?mod=text&txnode=168&uitxt=-1]

6.Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. Модификаторы для  обработки стали. - Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 66.

7.Шуб Л.Г., Ахмадеев А.Ю. О целесообразности модифицирования стального литья – Сб.докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006 - с. 15.