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

нагрузке разрушение, как правило, начинается с поверхности изде­ лия. Высокочастотная закалка, упрочняющая поверхностный слой и создающая в нем остаточные напряжения сжатия, значительно

но не превышает глубины прокаливаемое™. Поэтому высокочас­ тотную закалку широко используют для углеродистых сталей с не­ большой прокаливаемостью, таких, как стали 40 и 45.

Легированные стали в ряде случаев с успехом заменяют угле­ родистыми или низколегированными, упрочняемыми поверхност­ ной закалкой с индукционным нагревом.

Суммируя, можно отметить следующие преимущества закалки с высокочастотным нагревом: высокую производительность, повы­ шение износостойкости и сопротивления усталости, отсутствие обезуглероживания, незначительное окисление, точную регули­ ровку глубины закалки, возможность механизации и автоматиза­ ции процесса, а также организации поточных линий.

К недостаткам относятся высокая стоимость индукционной ус­ тановки и нерентабельность закалки единичных деталей, для каж­ дой из которых требуется изготовить собственный индуктор и по­

тельные валы, шестерни, тормозные кулаки, пальцы кривошипа, валки холодной прокатки, рельсы (закаливают концы рельсов), фрезы, метчики, плашки, зубила, напильники и др.

Исследования, проведенные И. Н. Кидиным, К- 3. Шепеляковским и другими авторами, открывают все новые возможности ис­ пользования электротермической обработки со скоростным нагре­ вом.

П о в е р х н о с т н а я з а к а л к а с н а г р е в о м п л а м е н е м г о р е л к и проводится следующим способом.

Горючий газ (например, ацетилен) и кислород смешиваются в специальной горелке и вытекают из закалочного наконечника. При сгорании в смеси с кислородом газообразного горючего обра­ зуется пламя с высокой температурой (2400—3000°С). Пламя го­ релки направляют на участок поверхности закаливаемого изде­ лия, где оно быстро разогревает слой толщиной 2—4 мм до темпе­ ратур выше точки Acz. Затем на разогретый участок через отвер­ стия в охлаждающей части закалочного наконечника под давле­ нием выбрызгивают воду.

Основным преимуществом рассматриваемого способа закалки по сравнению с высокочастотной является простота оборудования для газопламенного нагрева.

Закалку с нагревом пламенем горелки целесообразно приме­ нять при индивидуальном производстве и ремонте, когда закалка ТВЧ нерентабельна, при закалке крупных изделий (прокатных

270

валков), при работе в полевых условиях (закалка без демонта­ жа). Недостатки газопламенной закалки — возможность сильно­ го перегрева и менее точное регулирование толщины закаленного слоя.

3. Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспе­ чить необходимую глубину прокаливаемое™. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали силь­

сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обус­ ловливает возникновение термических напряжений.

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мар­ тенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превра­ щение и связанное с ним увеличение объема происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возник­ новению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости ох­ лаждения, так как в обоих этих случаях возрастает перепад тем­ ператур ПО' сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений.

Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных нап­ ряжений в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза— мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термичес­ кие напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоя­ нии, а аустенит пластичен.

Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение необходи­ мо в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустени­ та. Для большинства сталей этот район находится в интервале 660—400°'С. Выше и ниже этого интервала температур аустенит гораздо более устойчив против распада, чем около изгиба С-кри- вой, и изделие можно охлаждать относительно медленно. Медлен­ ное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300—400°С, при которых в большинстве сталей образуется мартен­ сит. При замедленном охлаждении выше изгиба С-кривой умень­ шаются только термические напряжения, а в мартенситном ин­ тервале снижаются и термические, и структурные напряжения.

Вкачестве закалочных сред наиболее широко используют хо­ лодную воду, '10%-ный водный раствор NaOH или NaCl и масла.

Втабл. 11 приведены значения скорости охлаждения неболь­

ших стальных образцов в двух температурных интервалах для

271

дающую способность воды в перлитном интервале. Главный недо­ статок воды — большая скорость охлаждения в мартенситном ин­ тервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном ин­ тервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаж­ дает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). (По­ этому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью.

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

4. Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650—400° С и мед­ ленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интерва­ ла, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интер­ вале применяют закалку в двух средах (рис. 158.). Вначале де­ таль погружают в воду и после короткой выдержки в воде пере­ носят в масло. Поэтому такой способ закалки называют закалкой через воду в масло. Быстрое охлаждение вводе предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном ин­ тервале. Наиболее ответственный момент — выдержка в воде, продолжительность которой устанавливают для каждого конкрет­ ного изделия. И передержка, и недодержка в воде могут привести к браку. При недодержке в воде происходит частичный или полный распад аустенита и получается заниженная твердость, а при передержке возникают более сильные закалочные напряжения, кото­

272

рые могут привести к короблению и образованию трещин. Не­ смотря на указанные недостатки, закалку через воду в масло ши­ роко применяют в производстве режущего инструмента из углеро­ дистой стали (углеродистая сталь обладает небольшой прокаливаемостью, и режущий инструмент из нее нельзя закаливать в масле).

Другой способ уменьшения скорости охлаждения в мартенсит­ ном интервале — ступенчатая закалка (рис. 159). Нагретое до

температуры закалки изделие быстро погружают в ванну с горя­ чей средой, а затем после некоторой выдержки выдают на воздух или погружают в холодное масло. Впервые закалка в горячей среде была описана Д. К. Черновым. В 1885 г. в известном докла­

При выборе режима ступенчатой закалки помогает С диаграм­ ма. Температуру горячей среды (температуру «ступеньки») вы­ бирают вблизи мартенситной точки (на 20—30°С выше нее ) в области высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Вре­ мя выдержки в горячей среде (длина «ступеньки») должно быть меньше инкубационного периода при соответствующей темпера­ туре. Ступенчатая закалка более проста в исполнении, чем закал­ ка через воду в масло-, и дает более стабильные результаты. Дру­ гое важное преимущество ступенчатой закалки — выравнивание температуры по сечению изделия при выдержке в горячей среде. Мартенситное превращение после этой выдержки происходит при медленном охлаждении и одновременно по всему объему, в ре­ зультате чего уменьшаются закалочные напряжения. Наконец, весьма существенное преимущество — то-, что сталь при темпера­ туре «ступеньки» находится в аустенитном состоянии. После из­ влечения из горячей среды изделие некоторое время пластично, и его можно править для устранения коробления. Это особенно ценно для тонких и длинных изделий, при закалке которых даже

273

в горячей среде неизбежно коробление. Часто используют правку

Основной недостаток ступенчатой закалки — малая скорость охлаждения в горячей среде (сравните кривые 1 и 2 на рис. 159). Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8—90 мм толщи­ ной). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при об­

точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает боль­ шую прокаливаемость, а так как количество мартенсита еще не­ велико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраня­ ются. Но править изделие при этом уже нельзя.

При ступенчатой закалке используют три группы горячих сред: минеральные масла, расплавы селитр и расплавы щелочей.

Если длина «ступеньки», находящейся в температурном ин­ тервале бейнитяого превращения, больше времени изотермичес­ кого распада аустенита, то операцию термообработки называют

изотермической или бейнитной закалкой (рис. 159). Бейнитное превращение является промежуточным между перлитным и мар­ тенситным (см. § 38). Сталь со структурой нижнего бейнита по механическим свойствам ближе к закаленной на мартенсит, чем к стали с перлитной структурой. При бейнитном превращении проис­ ходит мартенситная у— va-перестройка. По способу практического осуществления рассматриваемый процесс мало отличается от ступенчатой закалки. Поэтому его относят к закалке с поли­ морфным превращением.

Изотермическую закалку проводят в тех же горячих средах, что и ступенчатую. Время выдержки в горячей среде должно быть больше времени изотермического превращения аустенита, и его можно ориентировочно' выбрать, руководствуясь С-диаграм- мой. Изотермической закалке можно подвергать изделия не­ большого сечения, так как в горячей среде охлаждение идет мед­ ленно.

При выдержке в горячей среде температура по сечению изде­ лия успевает выровняться еще в большей степени, чем при сту­ пенчатой закалке. Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления — важное преимущество изотермической закалки.

Кроме уменьшения закалочных напряжений, у изотермичес­ кой закалки есть и другое преимущество. При одинаковой твер­

274

дости вязкость нижнего бейнита больше, чем у стали, отпущен­ ной после закалки на мартенсит. Одной из причин этого считают

чивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствитель­ ность к надрезу и перекосам по сравнению с закаленной на мар­ тенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая за­ калка позволяет повысить конструктивную прочность стали. Ни­ же сравниваются свойства стали ЗОХГС после обычной закалки с отпуском и изотермической закалки:

изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обра­ ботка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжа­ ет закалочное охлаждение, прерванное при комнатной темпера­ туре, которая не является критической для металла.

Обработку холодам можно проводить всегда, когда точка Мк лежит ниже нуля. Эффект обработки холодам зависит от количе­ ства остаточного аустенита при комнатной температуре. С увели­

275

ли с большим количеством остаточного аустенита не стабильна. Уже при комнатной температуре, а тем более при небольшом кли­ матическом понижении температуры остаточный аустенит посте­ пенно превращается в мартенсит. Это превращение сопровождает­ ся увеличением объема и размеры изделия меняются. У таких из­ делий, как шарико- и роликоподшипники, калибры и другой мери­ тельный инструмент, размеры должны выдерживаться с точностью до микрона и долей микрона. Эти изделия для стабилизации раз­ меров обрабатывают холодом. Во многих случаях даже не требу­ ется глубокого охлаждения ниже нуля, а достаточно охладить за­ каленную деталь в воде с температурой от + 5 до +10°С.

Другое назначение обработки холодом — повышение твердо­ сти и износостойкости режущего инструмента, штампов и мери­ тельного инструмента. В быстрорежущей стали после закалки со­ держится большое количество аустенита (до 25—40%). Понятно, что применение обработки холодом к такой стали особенно эф­ фективно.

Обработка холодом повышает твердость и износостойкость и устраняет шлифовочные трещины в цементованных деталях из легированных конструкционных сталей. В высокоуглеродистом цементованном слое после закалки содержится значительное ко­ личество аустенита, который уменьшает твердость стали и вслед­ ствие распада которого во время шлифования появляются тре­ щины.

Наконец, обработкой холодом можно повысить магнитные свойства постоянных магнитов в результате дополнительного пе­ рехода парамагнитного аустенита в ферромагнитный мартенсит.

При обработке холодом следует учитывать явление стабили­ зации аустенита (см. § 36). Разрыв во времени между операцией закалки и обработкой холодом приводит в некоторых сталях к сильной стабилизации аустенита при комнатной температуре, а стабилизация уменьшает эффект обработки холодом. Поэтому предельно допустимый разрыв регламентируют. Так, для измери­ тельных плиток из стали X он не должен превышать 30 мин.

Обычно для обработки холодом требуются температуры не ни­ же —80°С.

1960. 252 с. с ил.

Сб. «Несовершенства кристаллического строения и мартенситные превращения».

276

Р а з д е л ч е т в е р т ы й

СТАРЕНИЕ И ОТПУСК

Закаленный сплав находится в метастабильном состоянии и обладает повышенной свободной энергией. При закалке без поли­

зить свою свободную энергию, в результате чего твердый раствор распадается. Уже при комнатной температуре могут образо­ вываться выделения из пересыщенного раствора, однако в боль­ шинстве сплавов диффузионная подвижность атомов при ком­ натной температуре недостаточна, чтобы распад раствора прошел в необходимой степени за приемлемое время. Поэтому для изме­ нения структуры и свойств закаленного сплава его напревают — подвергают старению или отпуску.

Исторически так сложилось, что для одних сплавов, например алюминиевых, использовали преимущественно термин «старение»,

Главным процессом при старении и отпуске закаленного спла­ ва является распад метастабильного твердого раствора. При этом сплав переходит в более стабильное состояние, хотя обычно и далекое от истинного равновесия, для которого характерен абсо­ лютный минимум свободной анергии. Процессы распада пересы­ щенного раствора в закаленном сплаве, так же как возврат и ре­ кристаллизация, протекают самопроизвольно, с выделением тепла.

Факт нагревания сплава не противоречит представлению о самопроизвольности процессов, происходящих в сплаве при ста­ рении и отпуске, так как нагревание .необходимо лишь для уско­ рения диффузии, лежащей в основе всех структурных изменений при распаде пересыщенных растворов.

Основные параметры старения и отпуска — температура и время выдержки. Стрости нагревания и охлаждения обычно иг­ рают подчиненную роль. Исключение составляет специфическое явление отпускной хрупкости легированных сталей при замед­ ленном охлаждении с температуры отпуска (см. § 48).

277

Г л а в а X

СТАРЕНИЕ

В 1906 г. немецкий инженер Альфред Вильм открыл явление естественного старения, обнаружив, что вылеживание закаленного сплава алюминия с медью и магнием (дуралюмина) при комнатной температуре приводит к повышению твердости.

Вильм получил патент на способ облагораживания дуралюминов, за­ ключающийся в закалке сплавов с последующим естественным старением, в ре­ зультате которого повышаются твердость, пределы прочности и текучести.

В 1919 г. американские исследователи Мерика, Вальтенберг и Скотт опубли­ ковали знаменитую статью, в которой впервые был дан анализ природы старения дуралюмина. Мерика выдвинул гипотезу, согласно которой старение дуралюмина связано с переменной растворимостью соединения СиА12 в алюминии. При нагре­ вании сплава соединение CuAl2 переходит в твердый раствор и не успевает об­

ратно выделиться во время быстрого охлаждения (закалки), а последующее вы­ леживание сплава при комнатной температуре приводит к постепенному выделе­ нию из пересыщенного раствора очень дисперсных и потому невидимых под микроскопом частиц СиА12, которые и вызывают упрочнение. Эта гипотеза про­ сто и убедительно объясняла имевшиеся к тому времени экспериментальные данные.

Отсутствие упрочнения во время выдержки закаленного образца при —il80°C было объяснено низкой скоростью образования выделений, а появление упроч­ нения при повышении температуры вылеживания до комнатной и до 1(ХГС свя­ зывалось с тем, что подвижность атомов становилась достаточной для выделе­

соответствующей максимальной твердости, и последующей коагуляцией этих ча­ стиц.

Увеличение эффекта упрочнения при старении в результате повышения температуры нагрева под закалку легко было связать с более полным раство­ рением СиА12 при нагревании, образованием более пересыщенного раствора при закалке и соответственно появлением при старении большего числа дисперсных выделений из такого раствора.

Джеффрис и Арчер в 1921 г. развили гипотезу дисперсионного твердения Мерика и предложили общую теорию упрочнения сплавов дисперсными частица­ ми любого происхождения. Согласно этой теории, твердые дисперсные частицы, действуя как «шипы», «заклинивают» плоскости скольжения и вызывают уп­ рочнение сплава. При коагуляции частиц, когда суммарный их объем не изме­ няется, а лишь уменьшается число, многие плоскости скольжения освобождаются от «шипов» и происходит разупрочнение. Максимуму твердости и прочности соответствует некоторая критическая степень дисперсности твердых частиц. Такая степень дисперсности легко достигается при распаде пересыщенных твер­ дых растворов.

Первоначальная теория, объяснявшая упрочнение дуралюмина при комнат­ ном старении выделением из пересыщенного твердого раствора частиц СиА12, уже в 20-е годы столкнулась с рядом противоречий. Выделение :СиА12 и соответствен­ но обеднение твердого раствора медью должно было бы привести к снижению электросопротивления, а в действительности электросопротивление при естест­ венном старении возрастало. Далее, с выделением ,СиА12 из твердого раствора должен был бы увеличиваться период его решетки из-за меньшего (чем у алю­ миния). атомного диаметра меди, растворенной по способу замещения. Однако рентгеновские исследования не обнаружили изменения периода решетки при дос­ тижении сплавом максимальной твердости и только посЛе перестраивания при повышенных температурах, когда происходило разупрочйение, период решет­ ки возрастал, что прямо указывало на выделение СиА12 из пересыщенного ра­ створа.

278