Недостатки кремнистой стали

В процессе горячей механической обработки (проката) на поверхности кремнистой рессорно-пружинной стали появляется много разнообразных дефектов, отрицательно влияющих на долговечность рессор и пружин. Так как эти детали механически не обрабатываются, волосовины, плены, риски, рябизна, закаты, трещины переходят на готовые изделия и снижают усталостную прочность стали. Большинство таких дефектов возникает из-за окалины (окислы железа и кремния), образующейся при многократных нагревах. Установлено, однако, что влияние этих дефектов на усталостную прочность стали гораздо меньше по сравнению с обезуглероживанием.

Почему кремнистая сталь склонна к обезуглероживанию? Обезуглероживание — выгорание углерода — начинается у кремнистой стали при нагреве до 700° С и выше, причем с ростом температуры и выдержки в печи процесс усиливается. То же самое происходит и с углеродистой сталью, содержащей небольшое количество кремния.

Кремний, находясь в кристаллической решетке железа вместе с углеродом, вытесняет последний при повышении температуры, так как в стали не соединяется с углеродом. При выходе на поверхность углерод соединяется с кислородом и выгорает. Поэтому при нагреве кремнистой стали нужно сокращать количество кислорода в атмосфере печи.

Обезуглероживание опасно, так как углерод является необходимым компонентом в стали, особенно если она термически обрабатывается. Именно благодаря углероду сталь может закаливаться, упрочняться. Поэтому, если углерода в поверхностном слое будет мало, то он не закалится и его прочность останется низкой.

Из-за наличия резкой границы между обезуглероженным слоем и основной структурой металла в ней при закалке появляются трещины. Детали с обезуглероженным поверхностным слоем в большей степени коробятся при закалке. Будучи мягким, обезуглероженный слой быстро повреждается, а забоины, риски, вмятины и т. п. приводят к усталостным изломам. Поэтому можно утверждать, что обезуглероживание — одна из основных причин усталостного разрушения рессор, пружин и преждевременного выхода их из строя.

Однородность материала по сечению рессорных листов или пружин играет большую роль. При высокой однородности материала значительно возрастает его способность к сопротивлению пластической и упругой деформации, что особенно важно при переменных нагрузках, так как процесс зарождения и развития усталостных трещин является процессом накопления местных повреждений.

Усталостная трещина может возникнуть гораздо раньше, если в детали имеется концентрация напряжений, а неоднородности, имеющиеся в любом реальном материале, способны играть роль концентраторов напряжений. Особенно сильно сказывается концентрация напряжений при работе деталей из высокопрочной кремнистой стали.

К неоднородностям этой стали относят неметаллические включения, т. е. соединения железа с марганцем (сульфиды), кислородом (оксиды) и кремнием (силикаты). При прокатке некоторые включения вытягиваются, края их становятся заостренными. Скопления этих включений могут привести к зарождению усталостной трещины.

Что касается склонности кремнистой стали к графитизации, т. е. к выделению углерода в виде графита под действием отжига при 700—800° С, что вредно сказывается на свойствах стали, то при практически применяемой термообработке графит в стали марок 55С2 и 60С2 не образуется.

В кремнистой стали обнаружена химическая микронеоднородность по кремнию, также неблагоприятно отражающаяся на усталостной прочности рессорно-пружинной стали. Теория возникновения и развития этой неоднородности сложна, поэтому ограничимся лишь рассмотрением того, какой вид химическая микронеоднородность принимает в прокате кремнистой стали и как сказывается на усталостной прочности стали. В стали до термической обработки химическая микронеоднородность по кремнию проявляется в виде чередующихся строчек составляющих стали. После закалки и отпуска под микроскопом видна полосчатость — чередование темных и светлых полос.

Вытянутость неметаллических включений вдоль прокатки и полосчатость обусловливают разницу в механических свойствах стали вдоль и поперек направления прокатки, что вредно сказывается на свойствах стали. Полосчатость приводит к трещинам и расслоениям после закалки и отпуска, так как в темных и светлых полосах содержится разное количество кремния и углерода, а эти элементы сильно влияют на превращения, происходящие в стали при термической обработке.

Устранение или снижение полосчатости путем отжига при высокой температуре приводит к значительному повышению усталостной прочности. Предел выносливости возрастает на 20%. Растет также пластичность и ударная вязкость, повышается прокаливаемость стали. Снижается разница в свойствах вдоль и поперек направления прокатки. Прочность и упругость стали при этом почти не изменяются. Из-за опасности обезуглероживания такой отжиг можно проводить только в защитной атмосфере.

26 Август 2012 Опубликовано в Мастер-класс

Комментирование закрыто.