Технология термической обработки
Термическая обработка стали с применением скоростных методов нагрева
1
Различия способов нагрева заключается в методах генерации излучения, его частотах или длинах волн и в механизмах его взаимодействия с веществом. Электромагнитное излучение,
обусловленное тепловой энергией тела, называют тепловым излучением. Поэтому нагрев в печах и в пламени горелок рассматривают как нагрев внешним источником тепла, а индукционный и лазерный – внутренним источником тепла.
Важной технической характеристикой того или иного метода нагрева является скорость повышения температуры изделий. Скорость нагрева в печах составляет 0.1...1.0 град/с. При нагреве в печах стремятся получить сквозной равномерный прогрев изделий.
Для деталей машин, работающих в условиях контактного нагружения, подвергающихся изнашиванию и действию динамических нагрузок применяется поверхностная закалка с низким отпуском.
2
Поверхностная закалка может быть осуществлена 2-мя путями.
1)Быстрый нагреве наружного слоя до температур аустенитного состояния и немедленной закалке. Глубинные слои изделия при этом не нагреваются и не претерпевают структурных изменений.
2)Сталь с пониженной прокаливаемостью подвергается сквозному или глубокому нагреву с последующим интенсивным охлаждением. Толщина закаленного слоя в первом случае определяется глубиной прогрева до температур выше критических точек, а во втором – прокаливаемостью стали.
Необходимым условием поверхностного нагрева является высокая скорость подвода энергии. Нагрев под поверхностную закалку производят очень быстро: от 200...300 до 105..106 град/с. Широкое применение для быстрого поверхностного нагрева находит индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) и лазерный нагрев.
Нагрев со скоростью до 10 град/с называют медленным, от 10 до 103 град/с – скоростным, или быстрым, а нагрев с более высокими скоростями называют сверхбыстрым.
3
Особенности формирования структуры при скоростных нагревах
Процессы образования аустенита при ускорении нагрева смещаются в область более высоких температур, что обусловлено их диффузионным механизмом. Например, для повышения температуры начала образования аустенита в эвтектоидной стали до 910°С необходим нагрев со скоростью от 450 до 30х103 град/с.
Если вслед за быстрым нагревом следует закалка без выдержки в γ-области, то гомогенизация аустенита не успевает происходить и образующийся мартенсит оказывается неоднородным по химическому составу и структуре.
Особенно велика неоднородность аустенита после скоростного нагрева легированных сталей. В них могут сохраняться нерастворенные карбиды. Содержание легирующих элементов в аустените окажется пониженным, и их влияние на свойства стали используется не полностью. Поэтому применение скоростного нагрева для многих легированных сталей неприемлемо.
Степень неоднородности аустенита, образующегося при быстром и сверхбыстром нагреве, увеличивается с ускорением
нагрева и существенно зависит от исходной структуры. |
4 |
Скоростной нагрев позволяет получить очень мелкое зерно аустенита (№ 10...11 и мельче). Это обусловлено тем, что с повышением температуры число зародышевых центров увеличивается быстрее, чем линейная скорость их роста.
Изделия, закаливаемые после быстрого нагрева, должны подвергаться предварительной термической обработке для получения дисперсной однородной структуры. Наиболее благоприятная структура – сорбит отпуска. В некоторых случаях допустима нормализация, если она приводит к получению дисперсной тонкопластинчатой структуры – сорбита или троостита без избыточных фаз или с мелкими их включениями.
5
Запаздывание процессов образования аустенита при быстром нагреве вынуждает повышать температуру по сравнению с обычным печным нагревом. Чем выше скорость нагрева, тем более высокой должна быть температура для получения мелкозернистого аустенита с приемлемой степенью неоднородности.
Интервал допустимых температур расширяется с ускорением нагрева. Этот интервал ограничивается снизу температурой исчезновения феррита и достижением заданной твердости, а сверху – температурой, при которой еще сохраняется мелкое зерно. Максимальная твердость стали, закаленной после быстрого нагрева, достигается при определенной неоднородности аустенита.
Изменение HRC (1) и концентрации углерода в максимально насыщенных объемах мартенсита (2) после закалки при быстром нагреве
со скоростью 50 (а) и 130 (б) |
|
град/с |
6 |
|
|
Для некоторых сталей построены диаграммы преимущественных режимов нагрева под закалку, на которых в зависимости от длительности нагрева или его скорости нанесены зоны недогрева, нормальной закалки и перегрева. Пользуясь такими диаграммами, можно выбрать режим скоростного нагрева данной стали.
Диаграммы преимущественных режимов для закалки.
а – сталь 38ХА, отожженная (1 – зона закалки при медленном нагреве; 2,3,4 – соответственно зоны недогрева, закалки и перегрева при быстром нагреве); б – сталь с 0,36%С (1 и 3 – зоны допустимых режимов нагрева, 2 – 7
зона оптимальных режимов)
Закалка стали после быстрого нагрева. Мелкое зерно, значительная концентрационная неоднородность, остатки нерастворенных карбидов снижают устойчивость переохлажденного аустенита быстро нагретой стали и ее прокаливаемость. Поэтому для получения мартенситной структуры скорость охлаждения при закалке должна быть высокой. Стали после скоростного нагрева охлаждают водяным душем или быстрым потоком воды.
Диаграмма изотермических превращений переохлажденного аустенита стали 40ХН2М после медленного печного (штриховые
линии) и быстрого индукционного (сплошные линии) нагрева до 845
°С
8
Особенности структуры стали, быстро закаленной после скоростного нагрева, приводят к получению более высокой твердости, чем после обычной закалки. Это дополнительное повышение твердости составляет 2...5 единиц HRC.
Одновременно растет сопротивление хрупкому разрушению, улучшаются и механические свойства, определяемые при испытаниях на растяжение: значительно повышается предел прочности и возрастает относительное сужение.
Например, при переходе от обычной технологии (печной нагрев) к закалке после электронагрева со скоростью 400 град/с предел прочности стали 40 возрастает от 1680 до 2240 МПа, а относительное сужение – с 17 до 24 % (после отпуска в печи при 200 °С).
9
Кратковременный отпуск закаленной стали.
Скоростному отпуску подвергают изделия простой формы: прутки, проволоку, полосы, ленты. Сквозной нагрев осуществляют путем пропускания электрического тока непосредственно через изделие (электроотпуск). Выдержка при температуре нагрева обычно не производится. Охлаждение после отпуска может быть относительно медленным – на воздухе, или ускоренным – водовоздушной смесью или водой.
Высокие скорости нагрева не вызывают принципиальных изменений процессов отпуска, но фазовые превращения и структурные изменения смещаются в область более высоких температур, чем при печном отпуске. Температурный интервал распада остаточного аустенита смещается в большей мере, чем распада мартенсита. Коалесценция карбидов, аннигиляция и перераспределение дислокаций, а также релаксация внутренних напряжений не успевают протекать в полной мере. Тем более не успевают развиваться процессы выделения специальных карбидов в легированных сталях, поэтому вторичное твердение, обусловленное их образованием, может отчетливо не выявляться. 10