 |
Зависимость твердости от содержания углерода
|
|
|
|
| Твердость, НRС | |||||||
| Содержание С, % | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 |
Мартенситное превращение протекает в интервале температур от МН до МК. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо сталь непрерывно охлаждать. Если охлаждение прекратить в интервале между МН и МК, то это приведет к стабилизации аустенита. В закалённой стали, имеющей точку МК ниже +20 °С, а именно в углеродистых сталях, содержащих углерода более 0,5–0,6 %, или легированных, всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек МН и МК, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.
Температурное значение точек МН и МК не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом стали. С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали (кроме кобальта и алюминия) значения температур МН и МК понижаются. Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.
Следует помнить, что мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения, искусственно полученная неравновесная структура и при определенных условиях она может превращаться в более равновесные структуры. Для структуры мартенсита характерны высокая прочность, твердость, износостойкость, кроме того, она имеет наибольший удельный объем в сравнении с другими структурами.
Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает между перлитным и мартенситным превращением и сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки Fеγ → Fеα. Бейнит (по имени американского металлурга Э. Бейна) представляет собой двухфазную структуру, состоящую из кристаллов феррита и цементита. Особенность этого превращения заключается в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Бейнит, образующийся в интервале температур 550–350 ºС, называют верхним бейнитом, а образующийся при 350–240 ºС – нижним бейнитом.
|
|
|
Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Такое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения и редко используется в практике термической обработки сталей. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении описываются термокинетическими диаграммами.
Такие диаграммы строят в координатах «Температура – Время» на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного и бейнитного превращений. Термокинетические диаграммы имеют сложный вид, поэтому для упрощения будем рассматривать диаграмму изотермического превращения с наложенными на нее кривыми охлаждения (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Наложение кривых охлаждения на диаграмму
изотермического распада аустенита
На диаграмме отражены все ее особенности:
· при малых скоростях охлаждения (V1, V2, V3) в стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием ферритоцементитной смеси различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит);
· при охлаждении со скоростью VКР – критической скоростью закалки – или большей (V4) переохлажденный аустенит превращается в неравновесную фазу – мартенсит.
В зависимости от скоростей охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость охлаждения VКР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.
|
|
|
Отжиг углеродистых сталей
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и т. п.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Термическая обработка включает в себя следующие основные виды: отжиг I рода, отжиг II рода, закалку с полиморфным превращением, закалку без полиморфного превращения, отпуск, старение.
Эти виды термической обработки относятся как к сталям, так и к различным металлам и сплавам. Рассмотрим термическую обработку сталей.
Отжиг І рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения металла в более устойчивое состояние. Отжиг I рода не связан с фазовыми превращениями. Различают гомогенизационный (диффузионный), рекристаллизационный отжиг и отжиг, уменьшающий напряжения (рис. 4.7).
Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации. Это достигается за счет диффузионных процессов. Для обеспечения высокой скорости диффузии сталь нагревают до высоких (1000–1200 °С) температур в аустенитной области, выдерживают в течение 10–20 часов и медленно охлаждают. При гомогенизационном отжиге вырастает крупное аустенитное зерно. Избавиться от этого нежелательного явления можно последующей обработкой давлением или полным отжигом. Выравнивание состава стали при гомогенизационном отжиге положительно сказывается на механических свойствах, особенно пластичности.
Рис. 4.7. Режимы термической обработки при отжиге:
1 – диффузионном; 2 – нормализационном; 3 – полном; 4 – неполном;
5 – рекристаллизационном; 6 – для снятия напряжений
Рекристаллизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий наклепа в холоднодеформированном металле или сплаве. Для этого его нагревают ~100 °С выше температуры начала рекристаллизации, выдерживают при этой температуре для достижения рекристаллизации по всему объему и медленно охлаждают. Этот вид отжига чаще всего применяется как промежуточная операция для снятия наклепа и восстановления пластичности между операциями холодного деформирования. Для низкоуглеродистых сталей, которые чаще всего подвергаются холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига составляет 670–740 °С.
|
|
|
Отжиг, уменьшающий напряжение, – это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений. Такие напряжения возникают при обработке давлением, литье, сварке, шлифовании, обработке резанием и других технологических процессах. Внутренние напряжения сохраняются в деталях после окончания технологического процесса и называются остаточными. Избавиться от нежелательных напряжений можно путем нагрева сталей от 150 до 650 °С в зависимости от марки стали и способа обработки.
Отжиг ΙΙ рода основан на использовании фазовых превращений сплавов и состоит в нагреве выше температуры структурного превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов. К отжигам ΙΙ рода относятся: полный, неполный, изотермический, нормализационный (рис. 4.7).
Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Для этого стальную деталь нагревают выше критической точки А3 на 30–50 °С и после прогрева проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30–100 °С/час. Структура доэвтектоидной стали после отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Основные цели полного отжига:
· устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации, сварке, термообработке), – крупнозернистости и видманштеттовой структуры;
· смягчение стали перед обработкой резанием – получение крупнозернистости для улучшения качества поверхности и большей ломкости стружки низкоуглеродистых сталей;
|
|
|
· уменьшение напряжений.
Неполный отжиг отличается от полного тем, что нагрев производится на 30–50 °С выше критической точки А1 (линия РSК на диаграмме «Железо – цементит»). Эта операция производится как для доэвтектоидных сталей, так и для заэвтектоидных сталей. Охлаждение проводят так же, как и при полном отжиге (вместе с печью). При неполном отжиге не происходит изменение ферритной составляющей структуры в доэвтектоидной стали и цементитной составляющей в заэвтектоидной стали, поэтому полного исправления структуры не происходит. Неполный отжиг доэвтектоидной стали используют для смягчения ее перед обработкой резанием, снятия внутренних напряжений.
В заэвтектоидных сталях в результате неполного отжига образуется структура зернистого перлита, обладающая наименьшей твердостью и позволяющая облегчить обработку резанием углеродистых и легированных инструментальных и подшипниковых сталей. Кроме того, зернистый перлит является оптимальной структурой перед закалкой, так как обладает меньшей склонностью к росту аустенитных зерен, широким интервалом закалочных температур, меньшей склонностью к растрескиванию при закалке, а также повышенной прочностью и вязкостью.
Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до температуры
А3 + (30–50 °С), последующем ускоренном охлаждении до температуры изотермической выдержки ниже точки А1 и дальнейшем охлаждении на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества:
· больший выигрыш во времени, так как суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью;
· получение более однородной структуры по сечению изделий, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.
Нормализационный отжиг (нормализация) применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур А3 + (30–50 °С), а заэвтектоидную Аст + (30–50 °С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.
Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.
|
|
|
Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки Аст вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали.
4.3. Закалка углеродистых сталей
Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, при котором образуется неравновесная структура. Существует закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.
Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металлов и сплавов, при которой происходит мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Эта закалка применима к тем металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.
Если взять эвтектоидную сталь (0,8 % углерода) с перлитной мягкой структурой и нагреть ее выше точки А1, то перлит превратится в аустенит. При этом в аустените будет растворено все количество углерода, которое имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение в воде (600 °С/сек) препятствует диффузии углерода из аустенита. Кристаллическая решетка аустенита изменится при охлаждении, т. е. гранецентрированная кубическая решетка аустенита перестраивается в объемно центрированную, но весь имеющийся в стали углерод останется в новой решетке, и это придаст стали высокую твердость и износостойкость.
Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме «Железо – цементит». Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситном часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). Для заэвтектоидных же сталей закалка от температур выше А1, но ниже Аст дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры А3, наоборот, ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита, росту зерна аустенита, увеличению возможности возникновения больших закалочных напряжений и обезуглероживанию поверхностного слоя.
Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.
Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является та среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и замедленно в интервале температур мартенситного превращения для обеспечения равномерности этого превращения во всех зонах детали и снижения опасности образования трещин. Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают три периода:
· пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка», которая равномерно и сплошь окружает изделие, пар отнимает тепло не интенсивно, и скорость охлаждения в этот период сравнительно невелика;
· пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. В этот период происходит быстрый отвод тепла, так как на образование пузырьков пара расходуется большое количество тепла и температура металла быстро снижается;
· конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью, которая определяется физическими свойствами жидкости (теплоемкостью, вязкостью и теплопроводностью), разностью температур и скоростью циркуляции.
Закалочная жидкость охлаждает тем интенсивнее, чем шире интервал стадии пузырчатого кипения, т. е. чем выше температура перехода от первой стадии охлаждения ко второй и чем ниже температура перехода от второй стадии к третьей.
В практике термической обработки сталей нашли широкое применение различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Способы охлаждения при закалке сталей:
1 – непрерывная закалка; 2 – закалка в двух средах; 3 – ступенчатая закалка;
4 – изотермическая закалка; 5 – обработка холодом
Непрерывная закалка (1) – наиболее простой способ закалки. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Способ применяют при закалке несложных изделий из углеродистых и легированных сталей. Закалочной средой для углеродистых сталей диаметром более 5 мм служит вода, менее 5 мм и легированных – масло.
Закалка в двух средах (2) осуществляется в разных температурных интервалах с разной скоростью охлаждения. Вначале деталь охлаждают в интервале температур 750–400 °С в воде, затем переносят в другую охлаждающую среду – масло. Замедленное охлаждение в масле, где происходит мартенситное превращение, приводит к уменьшению возникающих при закалке внутренних
напряжений и опасности появления трещин.Применяется этот способ при закалке инструмента из высокоуглеродистой стали.
При ступенчатой закалке (3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем мартенситная точка данной стали (на 180–250 °С). Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают равномерное распределение температуры закалочной ванны по всему сечению детали. Затем следует окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого и происходит превращение аустенита в мартенсит. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, однако его применение целесообразно для изделий небольшого размера из углеродистых и низколегированных сталей, закаливающихся в воде.
Изотермическая закалка (4) позволяет получать наиболее хорошее сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке нагретую деталь переносят в ванну с расплавленными солями, имеющую температуру на 50–100 °С выше мартенситной точки МH, выдерживают при этой температуре до завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры.
При изотермической закалке в детали возникают минимальные напряжения, исключается образование трещин и уменьшается деформация.
Обработка холодом (5) применяется для легированных сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения МК значительно ниже 0 °С. Если закаливать эти стали обычным способом, то, наряду с мартенситом, в структуре оказывается значительное количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и может вызвать нестабильность размеров готовых деталей, так как в процессе их работы может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит.
Для стабилизации размеров закаленных изделий и повышения их твердости проводится охлаждение до температуры МК, в процессе которого аустенит превращается в мартенсит. Температура МК легированных сталей находится в широких пределах от –40 до –196 °С. Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, измерительные инструменты, подшипники и другие особо точные изделия.
Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Такая термическая обработка применима к сплавам, у которых одна фаза полностью или частично растворяется в другой.
Рис. 4.9. Диаграмма состояния сплава с переменной растворимостью
компонента В в А
Например, в сплаве I (рис. 4.9) при нагреве до температуры t2 β -фаза растворяется в α -фазе. При обратном медленном охлаждении β -фаза выделяется из α -фазы, в которой концентрация компонента В уменьшается в соответствии с линией предельной растворимости аb. Так как составы α- и β -фаз различны, то выделение β -фазы связано с диффузионным перераспределением компонентов. При достаточном быстром охлаждении диффузионное перераспределение, необходимое для зарождения и роста кристаллов β -фазы, не успевает пройти и эта фаза не выделяется. После такой обработки (закалки) сплав состоит из одного пересыщенного α -твердого раствора.
Закалка без полиморфного превращения широко применяется к алюминиевым, магниевым, никелевым, медным и другим сплавам.
Закаливаемость – способность стали повышать твердость в результате закалки. Необходимым условием закаливаемости стали является переохлаждение ее до температуры ниже точки МН. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой отсутствует диффузия углерода и происходит превращение в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Эту скорость можно определить на С-образной диаграмме (рис. 4.10). При закалке скорость охлаждения должна быть больше критической (V1). Для обычных углеродистых сталей значение критической скорости охлаждения составляет около 150 °С/сек, поэтому на практике необходимо охлаждать сталь при закалке очень быстро, чтобы предупредить распад аустенита на ферритоцементитную смесь.
Рис. 4.10. Определение скорости охлаждения при закалке
Скорость охлаждения на поверхности изделия может быть больше критической, а в центре меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость – одна из важнейших характеристик стали.
Прокаливаемостью называют способность стали получать закаленный слой на ту или иную глубину с мартенситной или троосто-мартенситной структурой. Для характеристики прокаливаемости стали часто используют в качестве параметра критический диаметр. Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического образца, который прокаливается насквозь в данной охлаждающей среде.
Критический диаметр увеличивается и, соответственно, повышается прокаливаемость стали при увеличении охлаждающей способности закалочной среды и при введении в сталь легирующих элементов. Например, углеродистая сталь имеет критический диаметр 8–10 мм. Это значит, что при закалке более крупных изделий из данной стали сердцевина не будет закаленной (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Распределение структуры по глубине цилиндрического образца
При поверхностной закалке, основное назначение которой – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия, на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Поверхностную закалку осуществляют нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) или газовым пламенем. При закалке первым методом стальное изделие 1 размещают внутри индуктора в форме спирали или петли 2 (рис. 4.12). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления 3, нагревающий сталь.
Рис. 4.12. Схема нагрева токами высокой частоты:
1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитное поле; I – направление тока в индукторе;
II – направление тока в детали
В связи с тем что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/сек температура закалки стали 40 с 840–860 °С повышается до 930–980 °С. После прогрева стали ТВЧ до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.
При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки, имеющей температуру 2000–3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая относительно поверхности горелку и одновременно охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.
Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.
Толщина закаленного слоя составляет обычно 2–4 мм, а его твердость 50–56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троостомартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность детали.
Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционным нагревом.
|
|
|
