§ 4. Режимы термической обработки стали после цементации и структра цементованного слоя
К цементованным, термически обработанным деталям предъявляются следующие требования:
1) поверхностная твердость должна составлять не менее 60 HRC и только в некоторых случаях 56—58 HRC;
2) изломы поверхностного слоя и сердцевины должны быть мелкозернистыми;
3) микроструктура поверхностного слоя должна состоять из мелкоигольчатого или безигольчатого мартенсита. Карбиды в виде сетки по границам зерен не допускаются. Допускается небольшое количество карбидов в виде глобулей и небольшое количество остаточного аустенита;
4) незначительное поверхностное обезуглероживание допускается лишь в случае последующего шлифования деталей;
5) в структуре сердцевины легированных сталей не допускаются остаточные количества феррита;
6) коробление и деформации деталей должны быть минимальны, что регулируется выбором оптимальной температуры цементации и закалки.
Рис. 13. Схема проведения режимов термической обработки цементованных изделии
Возможные режимы термической обработки обычно малоответственные детали представлены на рис. 13. По варианту I—III обрабатываются. Это или непосредственная закалка в масле с температуры цементации, или предварительное (перед закалкой) подстуживание (не ниже Ас1) с последующим низким отпуском (180—220° С). Иногда вместо отпуска применяют закалку в горячее масло с t= 180°. При наличии, большого количества Аост, возможна обработка холодом после закалки (III вариант). Если детали требуют механической обработки после цементации, то охлаждение после цементации ведут на воздухе (IV вариант), дальнейшая закалка проводится или с температур выше Ас3, если имеются повышенные требования к сердцевине, или выше Ac1, если таковые отсутствуют. Если у легированных сталей после охлаждения на воздухе образуется мартенсит, то для проведения механической обработки после цементации производится высокий отпуск для образования сорбита (V вариант). Высокий отпуск также способствует уменьшению после закалки остаточного аустенита. Для ответственных деталей для упрочнения слоя и сердцевины дополнительно проводится двойная закалка (VI вариант). Высокотемпературная закалка проводится для изменения зерна сердцевины, низкотемпературная—для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхности и уменьшения большого количества остаточного аустенита, полученного в результате первой закалки, причем также возможна дополнительная обработка холодом. Этот вариант типичен для обработки сталей типа 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и им подобным. Если после цементации не требуется механическая обработка, то может быть рекомендован VII режим: с изотермической выдержкой (5 мин) при 220° после закалки. При этом в сердцевине названных легированных сталей получается мартенситная структура, а в поверхности мартенситная структура получается лишь частично. Во время последующего отпуска при 520° (1 час) в сердцевине образуется сорбит, а аустенит поверхности еще остается устойчивым. Далее после охлаждения с температуры отпуска и дальнейшей обработки холодом с низким отпуском получаются оптимальные свойства сердцевины и поверхности, причем твердость сердцевины на 5—10 единиц меньше, чем по варианту VI (30—32 HRC вместо 35—42 HRC).
Перечисленные режимы, кроме режимов I—III, пригодны для цементации и в газовых, и в твердых карбюризаторах (непосредственная закалка или закалка с подстуживанием после цементации с реконсервацией герметизированных коробок удовлетворительно выполнена быть не может).
Нержавеющие высокохромистые стали типа 2Х13, Х17Н2 и другие после цементации рекомендуется закаливать с повышенных температур 1000—1020°, обрабатывать холодом (-60...-70° С) и отпускать при 150—180° С (возможен и высокий отпуск вместо обработки холодом, который в большей степени способствует распаду остаточного аустенита).
При внимательном анализе режимов термической обработки цементованных изделий в принципе возможно довольно полно представить структуру слоя и сердцевины сталей. Если диффузионное насыщение приводит к переменной концентрации углерода по глубине слоя, то после медленного равновесного охлаждения приповерхностные слои углеродистых сталей должны иметь структуру заэвтектоидной (перлит с сеткой цементита по границам зерен) или эвтектоидной стали, слои со средним содержанием углерода (0,6—0,4%) после охлаждения имеют структуру доэвтектоидной стали (перлит + феррит). Соответственно после повторной закалки конечные структуры этих зон отражают кинетику распада аустенита при охлаждении для соответствующей концентрации углерода. При повторной закалке заэвтектоидной зоны с температуры ниже Аст есть опасность сохранения цементной сетки, что нежелательно, при повышении же tзак выше Аст появляются большие количества остаточного аустенита и крунноигольчатый мартенсит. Поэтому не следует допускать паресыщений поверхности или же необходимо проведение в этом случае двойной закалки.
Повышение устойчивости аустенита легированных сталей дает отличную кинетику распада аустенита в сечениях с разным содержанием углерода. Это и приводит к образованию в сердцевине и переходной зоне после закалки структур типа сорбит—троостит, а в поверхности отдельных глобулей карбидов и больших количеств остаточного аустенита (при закалке с высоких температур).
Причем, если в процессе насыщения углеродный потенциал превышает предел растворимости углерода в аустените, то образующиеся карбиды понижают устойчивость аустенита, и в этой зоне при закалке Пост не образуется, зона его сдвигается в этом случае вглубь. Если же карбиды не образуются ни в процесс выдержки при цементации, ни при переохлаждении, то зона остаточного аустенита начинается сразу от поверхности.
Теперь остановимся вкратце на аномалиях в структуре цементованных изделий. Практически трудно устранимой аномалией является наличие в тонком поверхностном слое 20— 40 мкм зоны внутреннего окисления легирующих элементов, которая после закалки присутствует в виде темных участков на нетравленном шлифе в основном по границам зерен (трооститная сетка). В гл. 1 уже указывалось на это явление.
В цементованной стали, содержащей Mn, Cr, Si и Ti, под влиянием диффузии в аустените кислорода из газовой фазы и связывания им на своем пути в окислы указанных элементов развивается зона, где главным образом по границам зерен легирующие элементы отсутствуют в твердом растворе, что и приводит при закалке к образованию троостита в этих местах («темная составляющая»).
Путь борьбы с этим дефектом структуры—максимально возможное снижение в газовой фазе отношения рH2O /рН2 или рСО2/рСО что достигается, например, при вакуумной цементации, а также отсутствие в составе стали вышеназванных элементов с заменой их на Мо и Ni, в присутствии которых внутреннее окисление не развивается. Еще один путь — подача в конце процесса в цементационную печь добавок аммиака. Диффундирующий атомарный азот при этом является тем легирующим элементом, который восполняет потери вышеуказанных элементов, и, повышая прокаливаемость, уничтожает видимые следы троостита в структуре, хотя само по себе явление ВО не устраняется. Однако было бы неправильным считать, что «темная составляющая» есть не что иное, как трооститная сетка.
Такая же сетка образуется на обезуглероженном феррите легированных сталей без закалки и представляет собой сетку окислов по границам. Таким образом, образование окислов по границам зоны (а на самой поверхности в пределах 2— 3 мкм наблюдается обычно сплошной слой окислов шпи-нельного типа) и обеднение границ легирующим элементом приводит к образованию троостита лишь при закалке в масло, где прокаливаемость стали без легирующих элементов чрезвычайно мала или вовсе отсутствует. Процессы внутреннего окисления являются также, видимо, причиной и другой известной анормальности мелкозернистой стали—образования в заэвтектоидной зоне наряду со структурно свободным цементитом сетки феррита, окружающей сетку цементита, Это явление в основном развивается в твердом карбюризаторе с минимальным количеством восстановительных компонентов. Судя по всему, граничная диффузия кислорода (чем мельче зерна и больше протяженность границ, тем интенсивнее развитие этой диффузии) при цементации приводит к образованию смешанных окислов легирующих элементов и железа. Дальнейшее переохлаждение приводит к выделению цементита по границам; причем здесь действуют два потока углерода—к цементиту и к окислам с образованием оксикарбидов. Твердый раствор аустенита вблизи границ обедняется углеродом, а так как он обеднен и легирующими элементами, то точка Ar1, повышается и вблизи границ происходит образование феррита. При дальнейшем охлаждении границы ферритных зерен служат местами зарождения перлитных колоний.
Анормальные структуры стали при закалке склонны к образованию «мягких пятен». Для устранения этого явления проводят более длительную выдержку при нагреве под закалку с повышенных температур и охлаждения в наиболее «резких» закаливающихся средах