Термическая обработка стали

 

 

 

1.3. Влияние легирующих  элементов на свойства стали  18ХГТ

 

Сталь 18ХГТ легирована хромом (1,0-1,30%), марганцем(0,80-1,10%) и титаном(0,03-0,09%). Легирующие элементы в общем случае определяют размер зерна аустенита, его устойчивость при охлаждении, свойства феррита и карбидной фазы и другие факторы. Поэтому легирование стали имеет многоцелевое назначение. Один и тот же элемент может влиять на несколько факторов, через них определяя механические свойства стали. [4]

 

Влияние хрома.

Основное назначение легирования стали 18ХГТ хромом – увеличение прокаливаемости. Прокаливаемость – это глубина проникновения закаленной зоны, а за глубину прокаливаемости принимают расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя со структурой, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита.

При полной прокаливаемости  сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины  и КСТ и вязкость разрушения. Полоса прокаливаемости изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 –  Полоса прокаливаемости стали 18ХГТ

 

С увеличением  содержания хрома в среднелегированной стали повышается твердость. Это  связано с тем, что легирование  хромом стали повышает устойчивость переохлажденного аустенита против распада. Диаграмма изотермического распада аустенита стали 18ХГТ приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 –  Диаграмма изотермического распада  переохлажденного аустенита стали 18ХГТ

 

Влияние марганца.

Характер влияния  марганца на механические свойства стали  определяется условиями термообработки и содержанием углерода.

Марганец, являясь  наиболее дешевым и в наших  условиях более доступным легирующим элементом, способен обеспечить высокую  прокаливаемость и за счет этого  повышенную однородность структурного состояния стали.

Как легирующий элемент, марганец дает возможность  получить такие свойства, которые  недостижимы при легировании  стали другими элементами (большое  упрочнение при пластической деформации, сопротивление ударному износу).

Марганец расширяет  область аустенита, причем температура превращения γ–α резко снижается. Совместное влияние углерода и марганца усиливает эффект расширения области аустенита в стали.

Марганец увеличивает  растворимость углерода в аустените, несколько смещая т. Е на диаграмме Fe — С вправо, и уменьшает содержание углерода в эвтектоиде, т. е. смещает t. S влево примерно на 0,05% на каждый процент марганца (Рис. 3). С увеличением содержания марганца повышается стабильность аустенита, что приводит к замедлению скоростей перлитного и промежуточного превращений. Марганец, как и углерод, понижает температуры мартенситного превращения и увеличивает количество остаточного аустенита в стали. Такое влияние марганца на превращение аналогично влиянию повышенной скорости охлаждения в углеродистых сталях и обеспечивает получение более дисперсного перлита и меньших количеств доэвтектоидного феррита и заэвтектоидных карбидов.

 

Рисунок 3 –  Влияние легирования углерода в  эвтектоиде

 

Марганец понижает критическую скорость закалки и  увеличивает прокаливаемость стали.

Существенным  недостатком марганцовистых сталей со средним и высоким содержанием  углерода является высокая чувствительность к перегреву при закалке. Например, повышение температуры закалки  с 760-780°С до 800°С приводит к заметному  росту зерна. Принято считать, что причина этого заключается в повышенной скорости растворения марганцовистых карбидов в аустените.

Особое значение имеет отношение концентрации марганца к углероду. При увеличении отношения  марганца к углероду порог хладноломкости падает. Упрочняя феррит и образуя карбиды, марганец повышает прочность стали, но при среднем и высоком содержании углерода сильно понижает вязкость и пластичность.

 

Влияние титана.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, который практически не растворим в цементите, и уже при малых содержаниях в стали образует собственные специальные карбиды TiC. Он вводится для получения более высокой твердости.

 

Влияние постоянных примесей.

Кроме углерода, в стали присутствуют такие постоянные примеси как кремний, фосфор и сера. Содержание этих элементов в стали 18ХГТ ограничивается следующими верхними пределами: 0.37% Si; 0.035% S; 0.035% P.

 

Влияние кремния.

Кремний попадает в сталь при раскислении. Кремний  необходим для устранения вредных  примесей закиси железа, а также вредных сернистых соединений железа. Растворяется в феррите и циментите. Он заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства.

Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью  растворяется в феррите, кроме той  части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть  в шлак и осталась в металле  в виде силикатных включений.

 

 

Влияние серы.

Сера, как и фосфор, попадают в металл из руд. При комнатной температуре растворимость серы в феррите практически отсутствует. Поэтому вся сера в стали связана в сульфиды железа и марганца и частично в сульфиды легирующих элементов. С повышением температуры сера растворяется в феррите и аустените, хотя и незначительно, но до вполне определенных концентраций (0,02 % в феррите при 913⁰С и 0,05 % в аустените при 1365⁰С). Поэтому сернистые включения могут видоизменяться при термической обработке стали.

Если сера связана в  сульфид железа FeS, при относительно низких температурах горячей деформации стали, вследствие расплавления эвтектики сульфида железа (988⁰С), наблюдается красноломкость стали. При более высоких температурах горячей пластической деформации возможна горячеломкость стали.

Увеличение содержания серы в стали мало влияет на прочностные свойства, но существенно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях поперек и вдоль прокатки. Ударная вязкость на образцах, вырезанных поперек направления прокатки, уменьшается с увеличением содержания серы. А в продольном направлении с увеличением содержания серы наблюдается тенденция к повышению ударной вязкости. Это явление связано с усилением полосчатости феррито-перлитной структуры вследствие вытянутости сульфидов в строчки вдоль прокатки.

 

Влияние фосфора.

Руды железа, а также  топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем  в той или иной степени и  затем переходит в сталь. Растворимость  фосфора в феррите и аустените  значительно выше, чем содержание фосфора в стали как примеси. Поэтому фосфор в стали целиком находится в твердом растворе, и его влияние на свойства сказывается через изменения свойств феррита и аустенита. Вредное действие фосфора на свойства может усугубляться из-за сильной склонности его к ликвации.

Действие фосфора на свойства феррита проявляется в его  упрочняющем влиянии и, особенно в усилении хладноломкости стали.

Фосфор относится к  сильным упрочнителям. Несмотря на то, что содержание его в стали  обычно не превышает 0,030…0,040 %, он увеличивает предел текучести феррита на 20…30 МПа. В то же время увеличение содержания фосфора в пределах сотых долей процента может вызывать повышение порога хладноломкости на несколько десятков градусов (~20…25⁰С на 0,01 % Р) благодаря сильному уменьшению работы распространения трещины.

 

 

 

 

 

1.4. Технологический  процесс термообработки стали  18ХГТ

 

В термический  цех сталь 18ХГТ поступает в  нормализованном состоянии в  виде заготовки шестерни. Микроструктура стали 18ХГТ до заключительной термической обработки состоит из пластинчатого перлита и феррита.

Затем сталь  подвергается цементации, закалки и  низкому отпуску. Термическая обработка  стали производится по схеме, представленной на рисунке 4.

 

Рисунок 4 - Режим  термической обработки стали 18ХГТ

 

Шестерни загружаются  термистом на поддоны по 3 штуки. Затем, после предварительной мойки и сушки, поддоны попадают в цементационную печь. Цементация проходит в течение 17 часов при температуре 940⁰С. Потом они попадают в камеру охлаждения. Здесь металл охлаждаются до температуры 670⁰С. Далее поддоны проталкиваются в камеру нагрева под закалку. После нагрева поддон проталкивается на люльку, которая опускается в подогретое масло. Температура масла 70-80⁰С. Затем шестерни моются, сушатся и проталкиваются в отпускную печь. После отпуска термист их выгружает и отправляет на дробеструйную очистку. Схема расположения поддонов представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 –  Схема расположения поддонов

 

Термическая обработка стали 18ХГТ производится в следующей  последовательности:

1. Металл загружается  в печь после выгрузки предыдущей садки.

2. При загрузке шестерен  на поддон необходимо, чтобы они  не выступали за края поддона.

3. После загрузки  металла в печь термист заполняет  журнал, куда заносит номер загружаемого  поддона, номер и количество  детали, время загрузки.

4. Режим термической  обработки приведен на рисунке  4.

5. Контроль температуры  ведется по сводовым термопреобразователям,  расположенным по одному в  каждой зоне печи.

6. Контроль над  правильным ведением режима термической  обработки осуществляет контролер  ОТК и старший мастер участка.

7. По окончании  термической обработки металл  выгружается из печи.

8. После охлаждения  шестерни контролер ОТК совместно  с термистом проверяют ее на  глубину цементационного слоя  и на твердость.

 

1.5. Контроль качества  и анализ возможного брака

 

После термической  обработки шестерни из стали 18ХГТ  в термическом цехе производится контроль:

1. Глубина цементированного слоя. Она должна быть 1,6-2,1 мм.
2. Твердость закаленного слоя должна составлять 57-62 HRC;
3. Микроструктура стали;
4. Механические свойства;
5. Толщина обезуглероженного слоя;
6. Химический состав;
7. Качество поверхности зубьев шестерни.

 

 

Брак, возможный  при термической обработке стали 18ХГТ:

1. Большой слой цементации (не исправим);
2. Маленький слой цементации (садятся на доцементацию);
3. Обезуглероживоние поверхностного слоя более 0,4 мм;
4. Трещина.

 

 

2. ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ  ОСНОВНОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

 

2.1. Общие положения  и порядок эксплуатации поточной  линии для цементации «Холкрофт» на ООО «ЧТЗ-Уралтрак»

 

2.1.1. Техническая  характеристика печи

 

1. Термический  цех №3 включает одну поточную  линию американского производства  «Холкрофт», предназначенную для  термической обработки шестерен.

2. Проектно-техническая  характеристика поточной линии  для цементации американского  производства «Холкрофт» приведена в таблице 7.

3. Общая схема  расположения поддонов представлена  на рисунке 6.

Для обогрева печи цементации предусмотрены излучающие «U»-образные трубы, расположенные в горизонтальном положении под сводом печи. Для перемешивания печной атмосферы в печи над каждой зоной предусмотрены вентиляторы, встроенные в свод печи и находящиеся над излучающими (радиационными) трубами. Привод вентиляторов осуществляется от электродвигателей.

У печи газонепроницаемый  корпус, изготовленный из стального листа, армированного структурными элементами. Огнеупорная футеровка печи следующая: однослойный под выполнен из огнеупорного 1100⁰С кирпича; стены и свод – двухслойные, выполненные из огнеупорного 1100⁰С кирпича (рабочий слой) и изоляционных плит.

В печи с обоих концов предусмотрены пневматические внутренние двери, облицованные керамическим волокном. Также в печах предусмотрены шарнирные теплоизолированные двери аварийного доступа и смотровые окна с защитными устройствами от сажи.

Для каждой из излучающих трубок предусмотрен рекуператор.

 

 

Рисунок 6 –  Схема расположения поддонов

 

Таблица 7 – Проектно-техническая характеристика печи «Холкрофт»

№ п/п	Наименование	Единица измерения	Числовое значение
1	Количество  печей	шт.	1
2	Тип печи	Линия проходных  толкательных печей
3	Внутренние  размеры цементационной печи: Длина Ширина Высота	мм мм мм	10261 2058 1518
4	Назначение		Термообработка
5	Максимальная  температура нагрева металла	0С	980
6	Применяемое топливо: Вид топлива Объемная теплота сгорания Давление газа	кДж/м3 кПа	Природный газ   32,89 0,05
7	Топливо-сжигательное устройство: Тип горелок Расположение  горелок   Производительность Количество Максимальный  расход газа	м3/ч шт.   м3/ч	Двухпроводные Двухстороннее боковое 20 10   250
8	Максимальный  расход воздуха	м3/ч	2500
9	Давление воздуха  перед горелкой	кПа	2,5
10	Способ загрузки		Консольно-поворотный кран
11	Максимальная  масса садки	кг	150