книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

На получении бейнитной структуры основана бейнитная за­ калка (ом. § 40). Кроме того, в так называемых бейнитных сталях бейнитная структура формируется при охлаждении на воздухе с температуры горячей прокатки или при простой термообработке с нагреванием до аустенитного состояния и охлаждением на воз­ духе. В таких сталях С-кривая бейнитного превращения должна быть сильно сдвинута к оси ординат, а выделение избыточного феррита, наоборот, должно быть медленным, чтобы он не выде­ лился при непрерывном охлаждении до начала бейнитного прев­ ращения. Этим требованиям удовлетворяет, например, малоугле­ родистая сталь, легированная 0,5% М© и бором.

§39. ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ

1.Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с зака­ лочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть рас­ пад на феррито-карбидную смесь, переохладился ниже точки Мп. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше кри­

В первом приближении критическая скорость закалки опреде­

скорость. В §22 отмечалось, что при наложении кривых охлажде­ ния на С-диаграмму изотермических превращений нельзя прово­ дить строгих количественных расчетов температур начала и конца превращения исходной фазы при непрерывном охлаждении. Выше точки касания кривой оКр к С-кривой (рис. 148) превращение раз­ вивается более вяло, чем при температуре, соответствующей точ­ ке касания. Следовательно, за время, равное инкубационному пе­

риоду при температуре точки касания, непрерывно охлаждающийся аустенит еще не начнет распадаться. Поэтому истинная критическая скорость мень­ ше той, которая определяется по тан­ генсу угла наклона касательной к С- кривой начала изотермического распа­ да. Истинную величину оКр можно по­ лучить при использовании термокине­ тических диаграмм (см. §22 и 31).

260

мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь. Прокаливаемость — одна из важнейших характеристик стали. Под прокаливаемостью понима­ ют глубину проникновения закаленной зоны.

Прокаливаемость зависит прежде всего от критической скоро­ сти охлаждения. На рис. 149 изображена кривая распределения скоростей охлаждения по диа­ метру цилиндрического образ­ ца в сопоставлении с величи­ ной критической скорости.

Кольцевой объем около по­ верхности изделия охлаждает­ ся со скоростью больше крити­ ческой, и поэтому он закален на мартенсит. Сердцевина ци­ линдра охлаждается со скоро­ стью меньше, чем критическая, и поэтому она не закалена на мартенсит. В массивной дета­ ли большого сечения после за­ калки можно наблюдать всю гамму структур: плавный пе­ реход от мартенсита около по­ верхности через троостомартенсит, троостит и сорбит до

перлита в центре.

Если центр изделия охлаждается со скоростью больше крити­ ческой, то деталь закаливается на мартенсит насквозь (рис. 149,6) Как видно на рис. 149, для увеличения прокаливаемости детали данного сечения необходимо или повышать скорость охлаждения (кривая 1 сдвигается вверх), или понижать критическую скорость закалки: и в том, и в другом случае затрихованное сечение зака­ ленной зоны будет возрастать.

Критическая скорость охлаждения зависит от всех факторов, влияющих на скорость распада аустенита. Факторы, увеличиваю­ щие стойкость переохлажденного аустенита против распада, т. е. сдвигающие С-кривые вправо, увеличивают прокаливаемость (при сдвиге С-кривой вправо касательная к ней располагается под меньшим углом).

Устойчивость переохлажденного аустенита против эвтектоидного распада зависит от его гомогенности, размера действитель­ ного зерна и химического состава, от присутствия нерастворенных карбидов и других включений в стали и от малых количеств при­ месей, в том числе и неконтролируемых.

Так как для зарождения эвтектоида необходимы местные обо­ гащения и обеднения у-раствора углеродом, то чем однороднее аустенит, тем более устойчив он против эвтектоидного распада и тем больше прокаливаемость.

С укрупнением действительного аустенитного зерна уменьша­

261

ется суммарная межзеренная поверхность, на которой предпочти­ тельно начинается распад, и прокаливаемое™ увеличивается.

Увеличение температуры нагрева и времени выдержки перед закалкой приводит к выравниванию концентрации у-раствора и к росту аустенитного зерна, т. е. повышает устойчивость переохлаж­ денного аустенита. Поэтому с ростом температуры нагрева и вы­ держки перед закалкой прокаливаемость стали увеличивается, причем первый фактор более эффективен. Для увеличения прока­ ливаемое™ совершенно необязательно закаливать сталь с повы­ шенной температуры. Выравнивание концентрации у-раствора и укрупнение его зерна — необратимые процессы. Если сталь была нагрета до высокой температуры, а затем медленно охлаждена в аустенитной области до нормальной температуры закалки, то про­ каливаемость также возрастает.

Очень сильно на прокаливаемость влияет химический состав аустенита. С повышением концентрации углерода в аустените он делается устойчивее и критическая скорость закалки уменьшает­ ся. Наименьшей критической скоростью, т. е. наилучшей прокаливаемостью, обладают стали, состав которых близок к эвтектоиднО'Му (рис. 150). Повышение критической скорости у заэвтектоид-

идные стали закаливать с температур выше Лет (из аустенитной области), то критическая скорость ох­ лаждения будет непрерывно уменьшаться с увеличением содер­ жания углерода в стали, так как при этом повышается концент­ рация углерода в аустените.

Прокаливаемость углеродистой стали значительно возрастает при введении в нее сотых и тысячных долей процента бора. Бор, являясь поверхностно активным элементом в у-растворе, концент­ рируется по границам зерен аустенита и снижает здесь поверхно­ стную энергию, что затрудняет предпочтительное образование центров распада по границам зерен, и переохлажденный аустенит становится устойчивее. Поэтому введение малых количеств бора в углеродистую сталь повышает ее прокаливаемость.

262

Сталь одной марки, но разных плавок обладает различной прокаливаемостью, что объясняется различием в размере аусте­ нитного зерна, влиянием «неконтролируемых количеств растворен­ ных примесей и включений оксидов, нитридов, сульфидов и др.

За исключением кобальта, все легирующие элементы, раство­ ренные в аустените, затрудняют его распад, уменьшают критичес­

лия из стали 40ХНМА диаметром 120 мм прокаливаются насквозь при охлаждении в масле.

Во-вторых, для изделий небольшого сечения замена углероди­ стой стали легированной позволяет перейти к менее резкому зака­ лочному охлаждению. Применяя углеродистую сталь, можно про­ калить насквозь изделие небольшого сечения, если применять за­ калку в воде. Но при этом могут возникнуть недопустимо большие остаточные напряжения, а также коробление и трещины, особен­ но в изделиях сложной формы. Применение легированной стали позволяет заменить закалку в воде более мягкой закалкой в эмуль­ сии, масле или даже на воздухе.

263

сталей с полумартенситной структурой, в том числе и легирован­ ных, зависит от содержания углерода (табл. 10).

стали 60 при закалке в воде с 81б°С будет иметь глубину прокали­ ваемое™ 7 мм, а при закалке в масле 0,4 мм.

Характеристикой прокаливаемое™ может служить также кри­ тический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое в данном охладителе прокаливается насквозь.

Для определения прокаливаемое™ углеродистых и легирован­ ных сталей, за исключением закаливающихся на воздухе, широко применяют стандартный метод торцовой закалки (метод Джомкни). Стандартный образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под определенным напором только с торца (рис. 154). После пол­ ного охлаждения образца по его двум диаметрально противопо­ ложным образующим осторожно (без разогрева) сошлифовыва-

ФЗО _

265

ют площадки на глубину 0,5 мм. По длине этих площадок через* 1,5—3 мм измеряют твердость по шкале HRC и строят кривую прокаливаемое™ в координатах твердость — расстояние от торца.

можно решать многие интересные для практики задачи, в частно­ сти по номограммам определять размеры изделия, прокаливаю­ щегося насквозь в конкретном охладителе.

§40. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ЗАКАЛКЕ СТАЛЕЙ

1.Сквозной нагрев под закалку

Превращения в стали при нагревании описаны в § 23. Темпера­ туры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния (рис. 156*). Доэвтектоидные стали закалива­ ют с температур, пре­

вышающих точку As на 30—50°С. Наследствен­

ственно крупнозерни­ стой стали закалка да­ ет структуру крупно­ игольчатого мартенси­ та. При закалке с тем­

266

калка) наряду с мартенситом остается избыточный феррит, кото­ рый сильно снижает твердость закаленной стали и ухудшает меха­ нические свойства после отпуска.

Заэвтектоидные стали закаливают с температур, превышаю­ щих точку А \ на 35—60°С. При закалке с температур в интервале А 1— А cm в заэвтектоидных сталях наряду с мартенситом имеется вторичный цементит, который повышает износостойкость инстру­ мента. Нагрев до температур выше А ст вреден, так как твердость при этом не возрастает, но зато укрупняется аустенитное зерно, усиливается обезуглероживание поверхности и растут закалочные

ментитных частиц и повышения количества остаточного аустенита. Температура нагрева под закалку большинства конструкцион­ ных и инструментальных легированных сталей находится в пре­ делах 800—880°С (для каждой марки стали экспериментально под­ бирают свой более узкий интервал закалочных температур). Ста­ ли с большим содержанием карбидообразующих элементов (W, V, Сг) закаливают с более высоких температур, иногда близких к солидусу, чтобы перевести в аустенит большое количество трудно­ растворимых карбидов. Например, быстрорежущие стали типа Р9 и Р18 закаливают с температур 1250—1300°С, а штамповые ти­

па ЗХ2В8Ф — с 1050—1100°С.

Продолжительность выдержки при температуре нагрева долж­ на быть такой, чтобы прошла гомогенизация аустенита. Скорость нагрева желательно иметь максимальной для повышения произ­ водительности. При закалке с высоких температур некоторых вы­ соколегированных сталей, например быстрорежущих, для умень­

нагреть выше точки А с г только поверхностный слой заданной тол­ щины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогре­ лась до закалочных температур. Разновидности поверхностн ей закалки различаются способами нагрева.

В промышленности используют два основных способа поверх­ ностного нагрева: токами высокой частоты (ТВЧ) и пламенем го­ релки.

В ы с о к о ч а с т о т н а я з а к а л к а имеет неоспоримые преисущества перед всеми другими методами поверхностной закалки. Она распространена наиболее широко.

Как известно, с увеличением частоты переменного тока возрас­ тает неравномерность распределения его по сечению проводника.

267

При высоких частотах можно считать, что ток практически идет лишь в тонком поверхностном слое. На использовании поверхно­ стного эффекта (скин-эффекта) основан индукционный высокочас­ тотный нагрев для поверхностной закалки, предложенный в 1936 г. В. П. Вологдиным. Изделие помещают в индуктор с током высокой частоты. Практически считают, что индуцируемый в из­ делии ток сосредоточен в поверхностном слое толщиной

(31)

где р — удельное электросопротивление, ом-см; р, — магнитная проницаемость; / —частота тока, Гц.

Таким образом, глубина проникновения тока, а значит, и тол­ щина закаленного слоя уменьшаются с увеличением частоты тока. Эта зависимость иллюстрируется следующими данными:

ют для каждой детали в соответствии с формой нагреваемой по­ верхности. Полый индуктор изнутри охлаждается водой. Расстоя­ ние между поверхностью изделия и индуктора должно быть стро­ го определенным, так как от него зависит глубина закалки. Это обусловлено эффектом близости, который заключается в том, что плотность индуцируемого тока зависит от расстояния между про­ водниками. При противоположном направлении тока в проводни­ ках его плотность будет максимальной в наиболее близких меж­ ду собой точках поверхности проводников. Если изделие круглое, то для получения равномерной глубины закалки целесообразно вращать его в период нагрева в индукторе.

Важным преимуществом высокочастотной закалки является чрезвычайно большая скорость нагрева всего закаливаемого слоя. Скорость нагрева внешним источником тепла, например пламенем газовой горелки, лимитируется теплопроводностью металла; что­ бы провести нагрев с высокой скоростью, которая необходима при поверхностной закалке, приходится сильно перегревать по­ верхность изделия. При высокочастотном нагреве теплота генери­ руется в самом металле и весь закаливаемый слой быстро нагре­ вается до необходимой температуры. При одинаковой толщине закаленного слоя высокочастотный нагрев по сравнению с други­ ми методами характеризуется меньшим перегревом поверхности и гораздо более равномерным распределением температуры в за­ каливаемом слое.

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает следующую важную особенность фазовых превращений. На рис. 87 видно, что с повышением скорости наг­ рева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных ста-

268

лях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный фер­ рит превращается в малоуглеродистый аустенит.

-Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения из­ быточного феррита. Например, сталь 40 при печном нагреве зака­ ливают с температур 840—860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250 град/с — с температур 880—920°С, а при скорости нагрева 400 град/с — с 930—980°С.

Желательно подвергать высокочастотной закалке сталь с из­ мельченной исходной структурой, для чего можно использовать нормализацию, а в отдельных случаях и улучшение, т. е. обычную сквозную закалку с высоким отпуском на сорбит.

Основные параметры индукционного нагрева — температура закалки и скорость нагрева в районе фазовых превращений. Для данной плавки стали и исходной структуры в зависимости от ско­ рости нагрева подбирают оптимальную температуру закалки.

С увеличением степени перегрева скорость зарождения цент­ ров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэто­ му в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А\ и А3 и отсутствием выдержки при мак­ симальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зер­

мелкоигольчатого мартенсита в доэвтектоидных сталях. С увели­ чением температуры закалки выше оптимальной структура огруб­ ляется и появляется крупноигольчатый мартенсит.

При недогреве до оптимальной температуры твердость пони­ жена из-за неполноты аустенитизации, а при перегреве выше оп­

Здесь она с успехом заменя­ ет менее производительную цементацию.

269