книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

4. Теория закалки и отпуска стали

Если сталь, нагретую до состояния аустенита, охлаждать

очень медленно, то превращение аустенита в феррито-цементит-

ную смесь будет происходить при температурах, соответствую­ щих диаграмме состояния железо—углерод. Например, превра­

эвтектоидной стали снижается примерно до 680° и аустенит, пре­

вращается в перлит тонкого сложения. Увеличение скорости ох­ лаждения до 50—70 o∕ceκ. вызывает снижение критической точки

Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит рас­

падается только на мартенсит, называется критической скоро­ стью закалки (см. фиг. 55, Vzκp). Следовательно, чтобы зака­

лить сталь, ее следует охлаждать со скоростью больше крити­ ческой.

Процессы превращения аустенита в перлит, сорбит и тростит

являются однотипными, диффузионными; разница заключается только в величине выделяющихся частичек цементита, Превра-

60

щение аустенита в мартенсит является бездиффузионным про­

цессом, так как образование цеметита, как это имеет место при превращении аустенита в перлит, сорбит или тростит, не проис­

ходит.

Характерной особенностью 'превращения аустенита в мар­

тенсит является то, что это превращение сопровождается увели­

чением объема.

Все структуры стали по объему можно расположить в сле­ дующий ряд: мартенсит—тростит—сорбит—перлит—аустенит.

Мартенсит имеет максимальный объем, а аустенит — мини­

мальный.

Необходимо также отметить, что аустенито-мартенситное

превращение протекает не при постоянной тёмпературе, а в оп-

исходит полное превращение аустенита в мартенсит; при закалке-

же сталей, содержащих углерода больше.0,6%, не весь аустенит

превращается в мартенсит; часть аустенита остается нераспав­ шейся. При отпуске закаленная сталь, находясь до этого в на­

пряженном неустойчивом состоянии, стремится к устойчивому

стабильному состоянию, т. е. к превращению мартенсита и ос­

таточного аустенита в феррито-цементитную смесь. Другими

словами, при отпуске происходят те процессы, которые были за­

торможены при закалке.

При отпуске закаленной стали происходят три превращения.

Первое превращение, наблюдаемое при температуре 170—200°,

связано с уменьшением искаженности кристаллической решетки мартенсита. Это так называемый низкий отпуск для снятия внут­

ренних напряжений. Второе превращение, наблюдаемое при

температуре 200—300°, связанное с превращением остаточного-

61.

аустенита в мартенсит. При температуре 300—400° происходит

третье превращение; оно связано с образованием частичек це­ ментита, т. е. с превращением мартенсита в тростит. При даль­

нейшем повышении температуры отпуска происходит укрупне­

ние частиц цементита, в результате чего образуется сорбит.

Характерным отличием структур, образовавшихся в резуль­ тате отпуска, является их зернистое строение в отличие от пла­

стинчатаго строения таких же структур, образовавшихся в ре­

зультате закалки.

С\)

ε

eʃ <іО

62.5 120

50 WO

57.5 80

25 60

12.5⅜0

О20

дит к повышению пластичности и вязкости и уменьшению проч­

ности и твердости (фиг. 57).

5. Обработка стали холодом

Обработка стали холодом заключается в дополнительном

охлаждении свежезакаленных изделий до отрицательных темпе­ ратур, при которых остаточный аустенит превращается в мар­ тенсит.

Теоретическим обоснованием обработки холодом является

мартенситная диаграмма (см. фиг. 56). Из диаграммы следует,

что в стали, содержащей углерода более 0,6%, мартенситное

превращение при обычной закалке полностью не заканчивается;

в структуре наблюдается остаточный аустенит, который может

62

превратиться в мартенсит только при охлаждении до отрица­

тельных температур. Следовательно, обработка холодом воз­

можна только для таких сталей, у которых точка конца мар­

тенситного превращения лежит ниже нуля.

Практически закаленные изделия помещают в среду, имею­

щую температуру от минус 40° до минус 100°. При этих темпе­

ратурах остаточный аустенит превращается в мартенсит. Обра­

ботку холодом следует вести немедленно после закалки, так как

с течением времени происходит стабилизация остаточного аусте­

нита и эффект обработки холодом уменьшается.

Наиболее распространенным охладителем является смесь твердой углекислоты (сухой лед) с денатурированным спиртом

(—78,5°).

В настоящее время обработка стали холодом является допол­ нением к обычной закалке режущих инструментов, калибров,

массивных цементированных и других деталей.

6. Пороки термической обработки стали

Наиболее распространенными пороками термической обра­

ботки стали являются:

1. Перегрев, который связан с интенсивным ростом зерен

аустенита при высоких температурах нагрева или при длитель­

ной выдержке при нормальной температуре нагрева. При охлаж­

нит превращается в сорбитообразный перлит. Получается круп­ нозернистая структура, обладающая хрупкостью и малой проч­ ностью.

2.Пережог состоит в окислении стали при высокой темпера­

туре нагрева в окислительной среде. Пережженная сталь не может быть исправлена термической обработкой.

3.Обезуглероживание стали связано с выгоранием углеро­ да с поверхности изделий при их нагревании.

4.Напряжения и трещины возникают в результате слиш­

ком быстрого или неравномерного нагрева.

5.Изменение формы изделия (поводка, коробление и т. п.)' связано со структурными превращениями при закалке и тепло­

вым расширением и сжатием при их нагреве и охлаждении.

И. ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Если нагреть сталь выше критической температуры Acs и

охладить ее в холодной воде, то произойдет превращение аусте-

63

ше мартенситной точки /Ин, и выдержать при этой температуре, то аустенит некоторое время будет сохраняться, а затем начнет

превращаться в феррито-цементитную смесь (перлит, сорбит

или тростит). В этом и состоит изотермическая обработка. Время сохранения переохлажденного аустенита, начало и

конец распада аустенита, а также конечная структура распада зависят от температуры

переохлаждения. Типичная диаграмма

изотермического превра­

щения переохлажденного

аустенита с нанесенными

на нее кривыми охлажде­

ния приведена на фиг. 58.

Левая ветвь диаграм­

мы соответствует началу распада аустенита, пра­ вая — концу распада.

Верхняя горизонтальная

линия соответствует кри­

Агі,

сталь приобретает продукты распада, соответствующие темпера­

туре изотермического превращения. Область между линиями начала и конца распада соответствует периоду изотермического

превращения аустенита (заштрихованная область).

При высоких температурах изотермического превращения

(7Ö0—650°) конечной структурой распада является перлит, ниже

(650—600°) — сорбит, еще ниже (600—500°) — тростит, а при

более низких температурах (400—300°) — игольчатый тростит.

Если аустенит переохладить до температур, лежащих ниже точ­

ки Λ4h , то он распадается только на мартенсит.

2. Ступенчатая закалка и изотермическая обработка стали

Если нагреть сталь до температуры выше Aes и охладить

ее, например, в холодной воде, т. е. провести обычную закалку,

Mh — Mk

64

Для проведения ступенчатой закалки сталь, нагретую выше

ЛC3 , охлаждают сначала в среде (например, в соляной ванне),

имеющей температуру несколько выше /Ин, а затем после неко­ торой выдержки в момент, когда превращение аустенита еще не началось, окончательно охлаждают в воде (кривая 2). Конеч­ ной структурой после ступенчатой закалки, как и после обычной,

будет мартенсит.

В процессе ступенчатой закалки аустенит перед мартенсит­ ным превращением как бы «подстуживается» и изделие значи­

тельно сокращает свой объем раньше, чем начнутся объемные

изменения, связанные со структурными превращениями. Внут­ ренние напряжения при ступенчатой закалке резко уменьшают­

ся, а вместе с тем сокращается брак по трещинам, короблению

и другим дефектам, сопутствующим обычной закалке.

При изотермической обработке сталь также сначала нагре­

вают выше точки Ac3, выдерживают необходимое время, до­ статочное для образования устойчивого аустенита, и затем ох­ лаждают в соляной или металлической ванне, имеющей темпе­ ратуру ниже Лгі, но выше TWh.

В отличие от ступенчатой закалки выдержку при этой тем­

пературе производят до полного превращения аусте­

нита, после чего охлаждают изделие с произвольной скоро­ стью (кривая 3).

Изотермическая закалка проводится при темпера­ турах порядка 400—300°, обеспечивающих получение тростита.

Преимуществами изотермической закалки являются:

—возможность получения точно заданных механи­ ческих свойств (путем выбора температуры ванны, соот­

ветствующей образованию требуемой структуры);

—практически полное отсутствие брака по вине тер­ мической обработки (закалочные трещины, коробление, повод­

ки и др.);

—отсутствие необходимости отпуска стали, поскольку сразу же получается требуемая структура, свободная от внут­ ренних напряжений.

Изотермический отжиг (кривая 4) проводится при 700—650°,

конечной структурой является перлит (для доэвтектоидных ста­

лей — перлит и феррит, для заэвтектоидных — перлит и цемен­

тит). Распад аустенита в этих условиях происходит при постоян­

ной температуре, изотермически, и для рассматриваемого случая

начинается в точке в, а заканчивается в точке г. Основным1 пре­ имуществом изотермического отжига по сравнению с обычным

отжигом является значительное сокращение времени.

III. ПОВЕРХНОСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

При поверхностной термической обработке стали изменяются

строение и свойства лишь поверхностного слоя обрабатываемого

изделия, а сердцевина изделия остается без изменения. Такая

метод индукционной электротермообработки. Этот метод, пред­

высокой частоты (фиг. 59). Ток высокой частоты индуци­

щины закалочного слоя и его равномерность. Однако этот метод

требует больших средств на приобретение дорогостоящего обо­

рудования.

В настоящее время этот метод нашел широкое распростране­

ние в промышленности; он применяется для закалки валиков,

шестерен осей и других деталей.

IV. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термической обработкой называется поверхностное

насыщение стальных изделий легирующими элементами. Насы­

щение поверхности стальных изделий углеродом, азотом и алю­ минием вошло в производство и имеет широкое применение.

В результате химико-термической обработки изменяется химиче­

ский состав поверхностных слоев обрабатываемых изделий, что и придает им особые механические и физико-химические свойст­

ва: увеличивается твердость, коррозионная стойкость, сопротив­

ляемость истиранию, жаростойкость и другие свойства.

Основными видами химико-термической обработки являют­

ся: цементация, азотирование, цианирование и алитирование.

66

1. Цемеңтация

Цементацией называется насыщение поверхности стальных • изделий углеродом с целью получения твердого, износоустойчи­ вого поверхностного слоя при сохранении вязкости в сердцевине.

Цементируемые авиационные детали обычно изготовляются из

хромоникелевой или хромоникельвольфрамовой стали с содер­ жанием углерода .не более 0,2% (стали марок 13Н2А, 12ХНЗА, 12Х2Н4А и 18ХНВА). Более высокое содержание угле­

рода не обеспечивает достаточной вязкости сердцевины. Цемен­ тации подвергаются шейки валов двигателей, кулачки распределительных вали­ ков, поршневые пальцы, оси,

валики, шестерни и другие

детали, работающие на тре­

ние и изгиб.

При этой температуре в цементационном ящике в результате

соединения углерода с кислородом воздуха, находящимся

в ящике, происходит образование окиси углерода: 2С + Q2 Z= 2СО.

Окись углерода при контакте с деталями (железом) разлагает­ ся на углекислоту и активный атомарный углерод:

2∞^ CO2+ С.

Атомарный углерод, адсорбируясь на поверхности и диффунди­ руя вглубь обрабатываемых деталей, насыщает их поверхность.

При последующем охлаждении в цементированном слое обра­

зуется цементит Fe3C, обладающий большой твердостью. Реакция 2CO→CO2 + C является обратимой; образовавшая­

ся углекислота, соединяясь с избытком углерода карбюризатора,

вновь образует окись углерода.

Углекислые соли, входящие в состав карбюризатора, ускоря­

ют процесс цементации, так как они увеличивают количество окиси углерода:

BaCO3+ C = BaO + 2СО,

при разложении которой также выделяется активный атомар­

ный углерод.

Длительность процесса цементации определяется требуемой толщиной цементируемого слоя и температурой цементации

(фиг. 61).

Результаты цементации оцениваются степенью науглерожи­

вания и глубиной цементированного слоя. Степенью цементации

свойств, цементированные детали подвергаются сложной терми­

ческой обработке — двойной закалке и низкому отпуску. Первая

закалка с температуры 860—880° применятся с целью измельче­ ния зерна сердцевины и уничтожения сетки цементита в поверх­

ностном слое. Вторая закалка с температуры 780—810° приме­

няется с целью придания цементированному слою структуры мелкоигольчатого мартенсита. И, наконец, низкий отпуск при

температуре 150—170° применяется для уничтожения внутрен­

них напряжений.

На фиг. 62 показана микроструктура цементированной дета­

ли после термической обработки, где сохранена цементитная

сетка: на поверхности — мелкоигольчатый мартенсит с цементи­

том; в переходном слое — мартенсит и феррит; в сердцевине —

феррит и немного мартенсита.

Твердость поверхностного цементированного слоя хромони­ келевой стали марки 12ХНЗА по Роквеллу равна 60—65, а серд­

цевины — 28—39 единицам по шкале С.

2. Азотирование

Азотированием называется насыщение поверхности стальных изделий азотом с целью получения твердого, износоустойчивого

поверхностного слоя при сохранении вязкости в сердцевине.

68

Азот, диффундируя в железо, образует -нитриды железа Fe2N и FeiN, которые при повышенных температурах являются мало

устойчивыми и распадаются. Нитриды алюминия AlN, хрома

CrN, молибдена MoN и других легирующих элементов являются устойчивыми. Поэтому для азотируемых изделий, как правило,

применяется легированная сталь марки 38ХМЮА.

В результате азотирования на поверхности изделия полу­ чается тонкий, весьма твердый слой, обладающий повышенной

Фиг. 62. Микроструктура цементированного образца после термической обработки:

на поверхности—-мартенсит и цементит, в переходной зоне— мартенсит и феррит, в сердцевине - феррит и немного мар­ тенсита. XlOO

усталостной прочностью, хорошо сопротивляющийся истиранию при нормальной и повышенных температурах и обладающий высокой сопротивляемостью газовой коррозии.

Азотированию подвергают детали реактивных двигателей,

работающие при 400—500°, а также шестерни, валики, ролики,

перед азотированием; применяется закалка с температуры 930— 950° в масле и отпуск при температуре 600—670°, с охлаждени­

ем также в масле.

Азотирование может проводиться при следующих ре­

жимах:

— для тонкостенных изделий и изделий сложной конфигу­

рации применяется одноступенчатый режим при температуре

510 или 540°;

—для большинства изделий применяется двухступенчатый

режим — при температуре 520° и затем при 540°;

—с целью сокращения времени азотирования применяется трехступенчатый режим — при температуре 500°, затем при

550° и, наконец, при 590°.

69