Отжиг
Процедура отжига включает в себя нагревание, выдержку и долгое охлаждение в печи. Существует две разновидности рассматриваемого процесса, которые мы подробно представили в табличном варианте ниже.
| Вид рода | Задачи | Особенности |
| первый | выравнивает химсостав металла увеличивает обрабатывает стали, с помощью давления уменьшает остаточное напряжение после технологической обработки | Его структура не подвергается трансформации, остается неизменной при любых задачах, t=500-630°C |
| второй | измельчение зерен металла помогает образовывать структуру феррит+перлит | Этот тип — подготовительная термообработка. Он используется, чтобы повысить обрабатываемость стали, t=770-840°C |
Маркировка сплава
Конструкционные углеродистые качественные стали, по стандарту маркируются двузначным числом: сталь 05, 08…80, 85, которое указывает на усредненное значение, содержания углерода выраженное в сотых долях процента. Три цифры маркировки указывает на то что в сплаве содержится более чем 1% углерода, буква Л на отсутствие легировки — 45л, буквы Ст на его обыкновенное качество — Ст5.
Металлургическая промышленность производит стандартные стали марок от 05кп до 60, средний показатель углерода которых 0,05—0,60 процента, соответственно маркировки. Расшифровка марки стали 45 (фран. аналог С45) показывает содержание 0,45% С.
Особенности технологии закалки токами высокой частоты
Нагрев осуществляют в установке, называемой индукционной. Состоит из генератора высокой частоты и индуктора простой или сложной формы. Закаливаемая деталь может устанавливаться в самом индукторе или возле него. Переменный ток, проходя через индуктор, вызывает возникновение вихревых токов (токи Фуко), благодаря чему происходит быстрый нагрев поверхности заготовки. Изменяя параметры тока, можно регулировать глубину прогрева заготовки, а следовательно, и прочность. Твердость поверхности лежит в пределах 58÷62 HRC, в то время как сердцевина остается более мягкой. Таких показателей невозможно добиться, осуществляя нагрев в печи, т. к. он будет осуществляться по всему объему. Сразу после закалки сталь 45 подлежит следующему этапу термообработки – нормализации или отпуску.
Процесс закалки ТВЧ стали 45 показан на видео:
Режим закалки может быть одновременным и последовательным. Это зависит от размеров детали, которая подлежит закалке. Первый случай используется для деталей небольших размеров, второй – для крупногабаритных.
Сталь 45: Химический состав, механические, физические и технологические характеристики
Сталь 45 — классифицируется как конструкционная углеродистая качественная сталь, феррито-перлитного класса. Применение качественных сталей затрагивает такие производственные отрасли, как машиностроение, строительство, приборостроение и другие. Этому способствует: различное содержание углерода в их структурном составе и применение многообразных видов термической обработки, а также увеличение и усовершенствование технологических характеристик и свойств сплавов.
Маркировка сплава
Конструкционные углеродистые качественные стали, по стандарту маркируются двузначным числом: сталь 05, 08…80, 85, которое указывает на усредненное значение, содержания углерода выраженное в сотых долях процента. Три цифры маркировки указывает на то что в сплаве содержится более чем 1% углерода, буква Л на отсутствие легировки — 45л, буквы Ст на его обыкновенное качество — Ст5.
Металлургическая промышленность производит стандартные стали марок от 05кп до 60, средний показатель углерода которых 0,05—0,60 процента, соответственно маркировки. Расшифровка марки стали 45 (фран. аналог С45) показывает содержание 0,45% С.
Основные характеристики стали 45
Любой сплав имеет свои отличительные характеристики, определенный химический состав, ряд заменителей, функциональное предназначение.
Марки 40, 45, 50 выделяются высокими показателями прочности, имея при этом небольшую вязкость и пластичность. Поскольку механические свойства марки и 45 идентичны маркам 40 и 50, эти стали являются взаимозаменяемыми.
Химический состав и свойства
Химическими составляющими сплава помимо железа и углерода являются и ряд других элементов, количество которых малосущественно. Процентное отношение химических составляющих стали 45:
- Железо (Fe) — около 97%.
- Углерод (C) — 0,42—0,5%.
- Марганец (Mn) — 0,5—0,8%.
- Кремний (Si) — 0,17—0,37%.
- Никель (Ni) — не больше 0,25%.
- Хром (Cr) — не больше 0,25%.
- Медь (Cu) — не больше 0,25%.
- Мышьяк (As) — не больше 0,08%.
- Сера (S) — не больше 0,04%.
- Фосфор (P) — не больше 0,035%.
От химического состава стали и структуры напрямую зависят ее химические свойства. Все элементы входящие в состав условно делятся на полезные и вредные. Процесс добавления полезных примесей носит название легирование. Если расшифровать маркировку 45х, то становится ясно что сплав содержит добавление хрома, 45 г — марганца.
Основные химические свойства материала:
- степень окисления:
- устойчивость к коррозии;
- жароустойчивость;
- жаропрочность.
Механические характеристики
Для анализа и контролирования свойств стали используют различные методы их определения. К примеру, критерии прочности и пластичность определяют опытным путем, образцы растягивают до разрыва. Твердость сплавов фиксируют измеряя противодействие материала при влиянии на его поверхность твердого элемента, например, алмазного наконечника. Вязкость — ударными испытаниями специальных образцов.
Механические свойства и характеристики стали 45 (при t=20C).
Прочность — способность сплава выносить внешние нагрузки, не подвергаясь при этом разрушениям внутри. Характеризуется величинами: предел прочности, sв и предел текучести стали 45, sT .
- труба — ГОСТ 8731–87 , sв =588 МПа, sT =323 МПа;
- прокат — ГОСТ 1050–88 , sв=600 МПа, sT =355 МПа;
- прокат отожженный — ГОСТ 1050–88 , sв =540 МПа.
Твердость — способность сплава оказывать сопротивление при воздействии твердых тел. Характеризуется величинами: твердость по Н. В. Бринеллю 10—1 , по Роквеллу HRC . Для марки 45 в состоянии поставки:
- труба — ГОСТ 8731–87 , HB 10—1 = 207 МПа;
- прокат — ГОСТ 1050–88 , HB 10—1 = 229 МПа;
- прокат отожженка — ГОСТ 1050–88 , HB 10—1 = 207 МПа.
Пластичность — возможность сплава видоизменять свою форму под влиянием нагрузки и восстанавливать ее по окончании воздействия. Характеризуется величиной, относительное удлинение при разрыве, δ5 :
- труба — ГОСТ 8731–87 , δ5 =14%;
- прокат — ГОСТ 1050–88 , δ5 =16%;
- прокат отожженка — ГОСТ 1050–88 — δ5 =13%.
Ударная вязкость — способность материала сопротивляться динамическим воздействиям нагрузки, KCU [ кДж / м2].
Физические свойства
К физическим характеристикам стали относятся: плотность, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, модуль упругости, удельная теплоемкость и электропроводность.
Режимы закалки
Поскольку при закалке растут не только прочностные характеристики, но и хрупкость, технология правильного ведения процесса состоит в том, чтобы, с одной стороны, зафиксировать так можно большее количество остающегося аустенита, а другой стороны, снизить негативные проявления таких изменений
Особенно это важно для деталей сложной формы, где уже имеются концентраторы напряжений
Задача решается ускоренным охлаждением деталей, нагретых выше температуры аустенитного превращения на 30…50 °С, с последующим отпуском. В качестве охлаждающей среды используется вода или масло, а итогом такого охлаждения является появление в микроструктуре мартенсита – пересыщенного твёрдого раствора углерода в железе. Мартенсит — значительно более твердая структура, с иным типом кристаллической решётки и игольчатой структурой кристаллов. Он считается так называемой метастабильной фазой, которая в обычных условиях существовать не может.
Закалка подразделяется на следующие виды:
- Изотермическую, при которой выполняется непрерывное охлаждение в масле, либо в расплавах солей хлоридов бария и натрия. В результате аустенитное превращение протекает полностью, а в закалённом продукте исключаются трещинообразование и коробление. Изотермическая закалка и отпуск обязательны для конструкций сложной формы и значительных габаритных размеров.
- Ступенчатую, при которой после закалки в ванне до окончания мартенситного превращения и выравнивания температурных перепадов по всему сечению, продукцию извлекают из закалочной ёмкости, и в дальнейшем охлаждают уже на спокойном воздухе.
- Сквозную, применяемую для деталей небольших размеров. В результате получается наивысшая равномерность механических свойств.
Три вида отпуска после закалки
Особенности закалки инструментальных сталей заключаются в том, что они работают при гораздо повышенных эксплуатационных нагрузках: например, для тяжелонагруженного инструмента они достигают 3000…3500 МПа
Поэтому крайне важно обеспечить удовлетворительное сочетание всех прочностных параметров. Принципиальным отличием всех режимов закалки инструментальных сталей является обязательность отпуска непосредственно после закалки. Наилучший результат дают следующие режимы закалки:
Наилучший результат дают следующие режимы закалки:
- Изотермическая.
- Закалка с самопроизвольным отпуском, при которой нагретую деталь кратковременно извлекают из охлаждающей среды (масла), очищают от образовавшейся плёнки окислов, после чего вновь опускают в масляную ванну.
- Чистая, при которой нагрев ведут в печах с контролируемой атмосферой, свободной от окислов.
- Светлая, когда продукция нагревается в щелочных расплавах.
https://youtube.com/watch?v=I-br0B8ocpI
Нагрев под закалку проводят преимущественно в электропечах или в газовых печах, атмосфера которых содержит инертный газ. Так обеспечивается качество и полнота мартенситного превращения, исключаются неравномерность свойств и поверхностные дефекты.
Конструкционная сталь характеристики, свойства
Конструкционная качественная углеродистая сталь 45
Марка 45 – назначение
Конструкционная качественная углеродистая сталь 45 используется для изготовления улучшаемых, нормализованных, с поверхностной обработкой деталей повышенной прочности – распределительные/ коленчатые валы, кулачки, цилиндры, бандажи, шпиндели, шестерни, вал-шестерни, другие изделия.
Материал 45 – характеристики
| Марка | Классификация | Вид поставки | ГОСТ | Зарубежные аналоги |
| 45 | Сталь конструкционная углеродистая качественная | Сортовой прокат | 1050–88 | есть |
| 10702–78 | ||||
| Поковки | 8479–70 | |||
| Трубы | 8731–74 | |||
| 8733–74 | ||||
| 13663–86 | ||||
| Лист | 1577–93 | |||
| 16523–97 | ||||
| Лента | 2284–79 | |||
| Полоса | 1577–93 | |||
| Проволока | 5663–79 |
Ковка
| Вид полуфабриката | t, 0С | Охлаждение | |
| Размер сечения | Условия | ||
| мм | |||
| Слиток | 1250–780 | все размеры – поковки ответственного назначения | Нормализация |
| Переохлаждение | |||
| Переохлаждение | |||
| Отпуск | |||
| до 400 | На воздухе | ||
| 401–800 | Низкотемпературный отжиг | ||
| >800 | Низкотемпературный отжиг | ||
| Переохлаждение | |||
| Заготовка | 1250–750 | до 400 | На воздухе |
Резка
| Исходные данные | Обрабатываемость резанием Ku | |||
| Состояние | HB, МПа | sB, МПа | твердый сплав | быстрорежущая сталь |
| горячекатаное | 170–179 | 650 | 1,0 | 1.0 |
Применение защитных мер
В процессе термической обработки происходит постепенное выгорание углерода и образование налета окалины. Для предотвращения ухудшения качества металла и его защиты используются защитные газы, которые закачиваются в ходе процесса закаливания. В печь имеющую герметичную камеру, где происходит термообработка с помощью специального генератора, закачивается газ аммиак или метан.
При отсутствии герметичных печей операции обработки производятся в специальной герметичной таре, куда предварительно засыпается чугунная стружка для предотвращения выгорания углерода.
При обработке заготовок в соляных ваннах металл защищен от окисления, а для создания необходимых условий для сохранения уровня углерода содержание ванной 2-х кратно в течение суток раскисляется борной кислотой, кровяной солью или бурой. При температуре обработки в диапазоне температур 760-1000 °С в качестве раскислителя может использоваться древесный уголь.
Виды отпуска стали
Главный технический параметр ОС — это температура нагрева. Различают 3 типа ОС — высокий, средний и низкий. Конечно, высокотемпературный отпуск является оптимальным средством обработки, поскольку чем выше температура нагрева, тем более активно будет происходить рекристаллизация металла. Однако низко- и среднетемпературные способы обработки также имеют практическую пользу, которую не стоит недооценивать. Ниже мы рассмотрим каждый тип ОС по отдельности.
Высокий
Высокий отпуск стали — это вариант отпускной обработки при температуре от 500 до 700 градусов. Данный способ является самым эффективным, поскольку при таком нагреве происходит полигонизация и рекристаллизация материала, что позволяет устранить все напряжения внутри металла. Обычно длится от 2 до 3 часов. В случае обработки сложных конструкций рекомендованное время может увеличиваться до 6 часов.
Главный недостаток высокотемпературного отпуска — это небольшое снижение прочности материала. Поэтому методика не годится для обработки деталей, которые во время эксплуатации будут испытывать сверхвысокую нагрузку
Высокотемпературная методика распространяется на все виды стали, однако обратите внимание, что в случае некоторых легированных сплавов во время обработки может возникнуть так называемая обратимая высокотемпературная хрупкость
Средний
Основная особенность среднего отпуска — активная диффузия углерода без полигонизации и рекристаллизации сплава. В случае среднетемпературной обработки улучшается упругость материала, повышается его релаксационная стойкость. Температура отпуска стали в данном случае находится в пределах от 350 до 500 градусов. Средний срок проведения обработки — 2-4 часа. Оптимальная среда — маслянистая или щелочная. Средняя обработка хорошо подходит для прочных деталей сложной формы — рессоры, пружины, ударные конструкции. Однако на практике данная технология используется редко в связи с рядом ограничений:
- В температурной диапазоне от 250 до 300 градусов находится так называемый островок хрупкости первого рода, которого следует избегать. Одновременно с этим при температуре выше 500 градусов находится другой островок хрупкости второго рода (его тоже рекомендуется избегать). Об особенностях этих островков мы расскажем ниже. А небольшое отклонение температуры в большую или меньшую сторону во время отпуска может привести к фатальным последствиям.
- Методика не имеет преимуществ в сравнении с альтернативными технологиями (низкой и высокой). Одновременно с этим слабые печи для обработки обычно не могут нагревать рабочую среду до таких температур, а более сильные печи могут нагреваться до более высоких температур, что неудобно с практической точки зрения.
Низкий
Низкий отпуск стали — методика обработки стального сплава или изделия, при которой нагрев осуществляется до температуры от 100 до 250 градусов. Срок обработки обычно составляет 1-3 часа в зависимости от типа детали, ее габаритов. Во время низкотемпературной обработки происходит диффузия частиц углеродистых компонентов без полигонизации и рекристаллизации атомной решетки. Это позволяет повысить некоторые физические характеристики материала — прочность, пластичность, твердость, химическую инертность.
Низкий отпуск — универсальная технология, однако по факту ее применяют в основном для отпуска изделий из низколегированных и высокоуглеродистых сталей (ножи, посуда, простые детали). Также нужно избегать нагрева материала выше температуры 250 градусов (в противном случае он попадет в островок хрупкости первого рода, что чревато необратимой порчей металла).
Сводная таблица
| Тип отпуска | Время | Температура отпуска стали | Краткие особенности |
| Низкий | 1-3 часа | От 100 до 250 градусов | Происходит только частичная диффузия углерода. Следует избегать перегрева материала выше отметки 250 градусов. |
| Средний | 2-4 часа | От 350 до 500 градусов | Происходит полная диффузия углерода без полигонизации, рекристаллизации. На практике используется редко из-за ряда ограничений. |
| Высокий | 2-3 часа | От 500 до 700 градусов | Происходит полная диффузия углерода, полигонизация, рекристаллизация. Немного снижает прочность материала, поэтому не применяется для сверхпрочных деталей. |
