11. Превращения при химико-термической обработке

Ц е л ь р а б о т ы: изучение процесса цементации стали и режимов термической обработки после нее; изучение микроструктуры и свойств цементованной стали до и после термической обработки.

0. Цементация стали

Цементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Назначение цементации – получить на поверхности высокую твердость, износостойкость и повышенную усталостную прочность с сохранением при этом высокой вязкости сердцевины, предохраняющей детали от хрупкого разрушения при работе с динамическими нагрузками. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом и последующей термической обработкой.

Детали, подвергающиеся цементации, изготавливают из так называемых цементуемых конструкционных сталей. Это углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (обычно не более 0,3%), например, 10, 15, 20, 15Х, 18ХГТ, 25ХГМ, 30ХГТ, 20Х2Н4А. Благодаря низкому содержанию углерода обеспечивается достаточная вязкость сердцевины в готовой цементованой детали.

Цементация производится при температурах, когда стали находятся в аустенитном состоянии. Наиболее часто цементацию проводят при 930-950 ^оС, для ускорения процесса температуру иногда повышают до 1000-1050 ^оС. Глубина получаемых слоев зависит от температуры нагрева и длительности выдержки (рис.11.1).

Обычно получаемая глубина цементованого слоя находится в пределах 0,5-2 мм. Содержание углерода в поверхности изделия должна достигать 0,8-1,1 %. При более высоком содержании углерода образуется значительное количество вторичного цементита, придающего слою повышенную хрупкость.

Цементацию производят в твердом, жидком и газообразном карбюризаторе.

Структура диффузионного слоя при температуре цементации состоит обычно из одного аустенита с концентрацией углерода, понижающейся от поверхности к сердцевине. Образование на поверхности слоя цементита не наблюдается, т.к. содержание углерода не превосходит предела его растворимости в аустените (линия SE, рис. 11.2).

17

При повышенных скоростях нагрева и охлаждения, применяемых на практике, происходит смещение критических точек в сторону более высоких при нагреве или более низких при охлаждении температур относительно температуры фазового рав-новесия. Это связано с тем, что превращение перлит ↔ аустенит, выделение и растворение избыточных феррита и цементита в до- и заэвтектоидных сталях являются диффузионными процессами, требуют времени для своего развития, вследствие чего запаздывают из-за быстрого подъема или снижения температуры.

Критические точки, сместившиеся относительно равновесных вверх вследствие ускоренного нагрева, отмечаются индексом с: Ас₁, Ас₃, а сместившиеся вниз при ускоренном охлаждении – индексом r : Аr₁ , Аr₃. Следовательно, критическая точка Ас₁ соответствует температуре превращения перлита в аустенит, а Аr₁ - температуре обратного превращения аустенита в перлит. Критические точки Ас₃ и Аr₃ соответственно характеризуют температуры конца растворения феррита при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении. Положение критической точки А₁ мало зависит от скоростей нагрева и охлаждения.

Разность между положением критических точек при нагре-ве и охлаждении вызывается температурным ( тепловым) гистере-зисом. Чем выше скорость нагрева или охлаждения, тем сильнее смещаются вверх или вниз критические точки и возрастает темпе-ратурный гистерезис. Для примера рассмотрим подробнее кинетику превращения в аустенит в эвтектоидной стали (рис.3.2).

Время

Рисунок 3.2 – Схема кривых нагрева эвтектоидной стали:

А – медленный нагрев; Б – скоростной нагрев

18

В случае очень медленного нагрева превращение должно происходить при постоянной температуре и минимальном перенагреве относительно точки А₁ – пунктирная горизонтальная площадка ab на кривой А. Горизонтальной эта площадка может быть при условии, что все тепло, подводимое извне, будет полностью расходоваться на развитие эндотермического превращения перлита в аустенит.

Однако реальная кривая нагрева имеет седлообразный вид (участок аа1,сс1). В начальной стадии, когда аустенита образуется немного, количество тепла, поступающего извне, превышает его расход на протекание превращения, поэтому превращение происходит при повышающейся температуре – участок аа₁. По мере увеличения объема образующегося аустенита количество тепла, поглощаемого при превращении, превышает количество поступающего тепла, вследствие чего температура снижается – участок а₁с. Когда превращаются последние остатки перлита, процесс снова идет с повышением температуры – участок сс₁.

При повышении скорости нагрева (кривая Б) наблюдаются те же три участка. Отличие состоит в том, что превращение протекает в более широком температурном интервале ас₁, а на участке а₁с наблюдается не падение температуры, а только прекращение ее подъема.

Температура образования максимального количества аустенита соответствует участку а₁с. Именно эту температуру принято считать критической точкой Ас₁.

Следует отметить, что температура начала превращения перлита в аустенит – точка а – мало зависит от скорости нагрева и обнаруживается при 730-740 ^оС. Это объясняется легкостью образования зерен аустенита в исходной дисперсной феррито-цементитной смеси.

Положение критических точек для различных марок сталей приводится в справочной литературе, причем данные разных авторов могут несколько отличаться в связи с колебаниями химсостава в пределах марки, а также различными условиями нагрева и охлаждения.

Таким образом, при повышенных скоростях нагрева и охлаждения происходит смещение критических точек вверх или вниз относительно температур фазового равновесия. Это смещение тем больше, чем выше скорость нагрева или охлаждения. Смещение критических точек учитывается в практике термообработки.

71

Таблица 10.2 – Влияние температуры отпуска на твердость сталей

Сталь	Твердость после за-калки, НRС	Твердость, НRС после отпуска, оС
		100	200	300	400	500	600	680

Таблица 10.3 – Влияние длительности выдержки на твердость сталей

Сталь	Твердость после за-калки, НRС	Темпера-тура от-пуска, оС	Твердость, НRС после отпуска, длительность отпуска, мин
			5	10	20	30	60