Проект реконструкции участка для термообработки пружин слитковоза в условиях РМЦ - 2 ПАО ММК Им. Ильича с целью повышения эксплуатационной

 

Обработку пружинной проволоки  и ленты путем закалки на мартенсит  с последующим отпуском проводят на углеродистых и легированных сталях. Термическую обработку проволоки  и особенно ленты часто проводят на закалочно-отпускных агрегатах непрерывного действия, хотя во многих случаях закалке и отпуску подвергают и готовые пружины.

В тонких сечениях пружинная проволока  и лента углеродистых сталей имеют  сквозную прокаливаемость, поэтому  легирование пружинных сталей осуществляется в основном для повышения предела  упругости и сопротивления релаксации напряжений. При этом следует иметь в виду, что углеродистая сталь может иметь высокий предел упругости, но с другой стороны, он достигается при таких температурах и выдержках при отпуске, когда еще точна пластичность (вязкость) стали, а с другой стороны, предел упругости углеродистых сталей очень чувствителен к отпуску, в то время как легированные стали сохраняют высокий предел упругости в более широком интервале температур и выдержек отпуска.

При легировании пружинных сталей кремнием, молибденом, вольфрамом растет их релаксационная стойкость при комнатной и повышенной температурах.

 На рисунке 2.1 показаны изменения свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов. Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при наличии более 1 %) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита. В рассматриваемом случае легирующие элементы должны обеспечить сквозную прокаливаемость стали и комплекс механических свойств. Легирующие элементы изменяют кинетику всех процессов (фазовых и структурных превращений) при закалке и особенно при отпуске, изменяют конечные результаты этих процессов и тем самым оказывают существенное влияние на весь комплекс свойств. Наиболее важными факторами, обуславливающими степень упрочнения, являются: дисперсность, количество и распределение карбидной фазы, а также размер исходного зерна аустенита. В улучшаемых сталях при высоком отпуске снижается плотность дислокаций, поэтому размер исходного зерна имеет меньшее значение.

Легирующие элементы - Сr и Мо, увеличивают дисперсность карбидной фазы и ее устойчивость, способствуют упрочнению стали. Вредные примеси - S,Р и скрытые примеси - N, Н, О, понижают пластичность и вязкость. Все легирующие элементы задерживают процессы, совершающиеся при отпуске закаленных сталей. Образование карбидов легирующих элементов может происходить путем превращения (Fе, л.э)₃С в карбид легирующего элемента (механизм образования «на месте») или путем образования карбида легирующего элемента из твердого раствора феррита (механизм «старение»). Эти процессы приводят к существенному повышению прочности без снижения пластичности и вязкости стали.

  Влияние углерода.

Углерод обязательный элемент в  стали любого состава, так как  только при сплаве с углеродом  железа превращается в сталь и  приобретает способность резко менять свои свойства при термической обработке (рис. 2.3).

Введение углерода преследует четыре цели:

• дополнительное повышение прочности стали за счет карбидной фазы;
• возможность переохлаждения γ-фазы до мартенситной точки. Для достижения высоких значений характеристик прочности при закалке легированного феррита требуется большая скорость охлаждения, трудно достигаемая во внутренних слоях реальных изделий. Углерод необходим для увеличения прокаливаемости за счет уменьшения скорости γ—α превращения;
• при введении в сталь углерода после высокого отпуска сталь имеет сорбитную основную массу, обладающую меньшей склонностью к хрупкому разрушению, чем в феррите.

- выплавка стали, содержащей углерод происходит легче и экономически выгоднее, чем выплавка легированного феррита. 

 

Содержание легирующего элемента, %

                                    а)

Содержание легирующего элемента, %

                                      б)

Рисунок 2.1 - Влияние легирующих элементов  на свойства феррита:

а - твердость; б - ударная вязкость.

 

 

Рисунок 2.2 - Температура хрупкого перехода феррита технической чистоты в зависимости от содержания легирующего элемента в нем.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 - Влияние содержания углерода: (а) на механические свойства углеродистых сталей со структурой феррито-карбидной  смеси; (б) изменение порога хладноломкости и энергии разрушения (U) для сталей со структурой феррито-карбидной смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Влияние хрома

Хром - сильный карбидообразующий  элемент. С углеродом он дает различные  карбиды, которые значительно прочнее  и устойчивее цементита. В стали  карбиды хрома являются всегда двойными, или сложными: часть хрома в  них замещена железом, или другими  элементами. Чем выше содержание хрома, тем богаче хромом образующиеся карбиды.

В железоуглеродистых сплавах могут  одновременно существовать карбиды  нескольких типов. Определить точный состав таких карбидов химическим анализом очень трудно и результаты фазового анализа карбидного осадка часто очень различаются.

Под влиянием хрома γ-область из диаграммы состояния Fе-С замыкается, т.е. хром является ферритозамыкающим элементом.

Точки Е и S под влиянием хрома повышается и одновременно перемещается влево в сторону пониженного содержания углерода.

При содержании хрома более 1,0% на диаграмме  изотермического превращения аустенита  появляются два минимума устойчивости аустенита: около 600°С - в области  температур перлитного превращения  и около 350°С - в области температур образования игольчатого троостита.

Хром значительно увеличивает  инкубационный период и время  полного распада аустенита.

При нагреве стали карбиды хрома  переходят в твердый раствор  при более высокой температуре, чем цементит, и препятствует росту  зерна аустенита, поэтому сталь с хромом менее склонна к перегреву, чем просто углеродистая.

Хром также резко увеличивает  склонность аустенита к переохлаждению и значительно снижает критическую скорость закалки, поэтому стали с хромом >1% можно закаливать в масле. Понижая критическую скорость закалки, хром увеличивает прокаливаемость и теплостойкость стали.

Из рисунка 2.1 как уже говорилось, видно, что при содержании Сr до 1 % ударная вязкость повышается, а затем понижается. При содержании Сr более 1-1.5% твердость стали повышается незначительно.

Влияние молибдена

Молибден - сильный карбидообразующий  элемент. С углеродом он дает устойчивые стабильные карбиды Мo₂С и МоС, но в стали с содержанием молибдена менее 8-10 % в основном существуют только сложные FеМо карбиды типа цементита - (FеМо)зС.

При нагреве стали в процессе ковки, прокатки и термообработки молибден затрудняет рост зерна и сталь становится менее чувствительна к перегреву.

Молибден понижает концентрацию углерода в перлите и на диаграмме Fе-С сдвигает точку S влево.

Молибден сильно понижает критическую  скорость закалки, особенно в

Молибден уменьшает чувствительность доэвтектоидной легированной стали  к скорости охлаждения после высокого отпуска и чрезвычайно сильно понижает отпускную хрупкость стали. Во многих случаях добавка 0,2-0,3 % Мо в сталь устраняет склонность к отпускной хрупкости.

Чем больше чувствительна сталь  к скорости охлаждения после высокого отпуска, тем больше нужно вводить в нее Мо для устранения этого порока. Однако в конструкционной стали при количестве Р менее 0,04% обычно уже 0,2-0,3% Мо вполне достаточно для значительного уменьшения или полного уничтожения отпускной хрупкости.

Влияние кремния

Строение кристаллической решетки  Si сильно отличается от решетки Fе, поэтому, растворяясь в Fе, Si резко искажает атомнокристаллическую решетку Fе, таким образом повышает твердость и прочность феррита. Это свойство Si используется при легировании малоуглеродистой конструкционной стали.

Кремний понижает концентрацию углерода в перлите и уменьшает предел растворимости углерода в аустените, т.е. на диаграмме Fе-С сдвигает точки S и Е. Чем выше содержание Si в сплаве, тем выше становится температура перлитного превращения и меньше концентрация углерода в перлите.

Кремний не образует карбидов, а наоборот, препятствует их образованию, являясь одним из сильных графитизирующих элементов.

Si сам по себе не вызывает отпускной хрупкости стали, но в присутствии других легирующих элементов, например Мn и Сr, Si увеличивает ее.

При отпуске закаленной стали под  влиянием Si повышается устойчивость мартенсита, и температура его распада смещается в сторону более высоких температур. Кроме того, при отпуске стали мелкозернистые частицы карбидной фазы укрупняются с очень малой скоростью, поэтому сорбитная структура размягчается при более высоких температурах, т.е. повышается устойчивость против отпуска.

Si применяют в качестве раскислителей в стали. Он входит в твердый раствор и способствует упрочнению стали.

Кремний практически полностью  находится в феррите, повышая  его прочность и твердость  снижая пластичность, поэтому его  влияние наиболее эффективно в сталях с низким содержанием углерода, в  которой есть большое количество феррита.

Влияние марганца

Марганец - карбидообразующий элемент, с углеродом образует карбид марганца Мn₃С, более устойчивый и прочный, чем карбид Ме₃С. При введении Мn в Fе-С сплавы, чистые карбиды марганца не образуется, а получается всегда сложные карбиды цементитного типа (Fе,Мn)₃С, в которых часть атомов железа замещена атомами марганца.

Марганец понижает концентрацию углерода в перлите и на диаграмме Fе-С сдвигает точку S влево. Точка Е под влиянием Мn смещается вправо, т.е. Мn увеличивает растворимость С в аустените.

Мn относится к таким легирующим элементам, которые способствуют переохлаждению аустенита и увеличивают его устойчивость к перлитному превращению. При закалке стали с повышением содержания марганца понижается температура мартенситного превращения и увеличивается количество остаточного аустенита.

В стали ЗОХМА содержание Мn равно 0,4-0,7%. При таком содержании марганец понижает порог хладноломкости феррита (см. рисунок 2,2), повышает ударную вязкость и твердость (см. рисунок 2.1), повышает прокаливаемость стали.

При содержании Мn до 1% он практически не влияет на пластичность, благоприятно действует на свариваемость, ковкость и прокаливаемость.

Влияние фосфора и серы.

Растворимость фосфора в α- и γ-железе значительно выше, чем содержание фосфора в стали, как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находиться в твердом растворе, и его влияние на свойства проявляются только в изменении свойств феррита и аустенита. Вредное влияние фосфора на свойства может усугубиться из-за сильной склонности к ликвации.

Действие фосфора на свойства феррита (рис. 2.4) проявляется в его упрочняющем  влиянии и особенно в усилении хладноломкости стали, т.е. повышение  температуры перехода из вязкого  состояния в хрупкое.

Несмотря на то, что содержание фосфора в стали обычно 0,03-0,04%, он увеличивает предел текучести  феррита на 20-30 МПа. В то же время  увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызвать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

В конструкционных улучшаемых сталях фосфор ответственен за проявление обратимой отпускной хрупкости. В том случае влияние фосфора на порог хладноломкости особенно сильно повышает температуру перехода на 40°С.

Сера, при комнатной температуре  ее растворимость в α-железе практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в α- и γ-железе, хотя незначительно, но до вполне определенных концентраций. Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термообработке стали.

Если сера связана в сульфид  железа FеS, то при относительно низких температурах деформации стали вследствие расплавления эвтектики сульфида, наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали, обусловленная расплавлением находящихся по границам первичных зерен аустенита, включений сульфида железа.

Сера также ухудшает механические свойства стали, снижает вязкость (рис. 2.5).

Поэтому содержание серы в стали  строго ограничивается и допускается  не выше нескольких сотых долей процента. 

 

 

Рисунок 2.4 - Влияние фосфора на а_и и а_т и ударную вязкость КСи низкоуглеродистой феррито-перлитной стали (0,2% С, 1% Мп).

 

Рисунок 2.5 - Зависимость ударной  вязкости нормализованной стали типа 45 от содержания в ней серы.