Микроструктура стали после термической обработки

7.1. Учебные цели:

1. Исследовать микроструктуры легированных сталей и их свойства.

2. Научить студентов методам микроструктурного анализа легированных сталей.

3. Закрепить научно-теоретические положения по строению, свойствам, особенностям термической обработки, стандартной маркировке и применению легированных сталей.

7.2. Учебные вопросы:

1. Исследование микроструктуры.

2. Выбор режима термической обработки.

3. Применение исследованных сталей.

Учебно-справочные материалы по легированным сталям

Исследование микроструктуры

Легированной называется сталь, содержащая в своем составе специально введенные элементы, отсутствующие в обычной углеродистой стали, или имеющая повышенное против допускаемого в углеродистой стали количество кремния (более 0,5%) и марганца (более 1%). Легированная сталь может содержать один или несколько легирующих элементов.

Легирование производится с целью повышения механических свойств, прокаливаемости стали, получения сталей специального назначения (износостойких, нержавеющих, жаростойких, жаропрочных, быстрорежущих инструментальных, с особыми физическими свойствами).

Все легированные стали классифицируются:

— по степени легирования;

— по структуре в нормализованном состоянии.

По назначению легированные стали разделяются на три основные группы:

— конструкционные (строительные и машиностроительные стали общего и специального назначения);

— инструментальные стали и сплавы;

— стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

По степени легирования различают стали низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов Л.Э. ≤ 2,5%), среднелегированные (2,5 10%). Например, сталь марки 40ХФ (Л.Э.

Аустенитные стали содержат большое количество (более 10%) легирующих элементов, расширяющих γ — область, смещающих кривые изотермического превращения аустенита вправо, а линию начала мартенситного превращения вниз, в область отрицательных температур (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Диаграммы изотермического превращения аустенита

а – перлитный класс; б – мартенситный класс; в – аустенитный класс

При нормализации таких сталей кривая охлаждения не пересекает кривые изотермического превращения аустенита и не достигает М_н. Структура такой стали – легированный аустенит. Иногда в ней присутствуют карбиды. Такие стали имеют достаточно высокую прочность, хорошую пластичность и вязкость. Они коррозионностойки, жаропрочны, парамагниты.

Карбидные (ледебуритные) стали содержат много углерода (С = 0,7-1,7%) и большое количество карбидообразующих легирующих элементов (Cr, Mo, W, V). Эти элементы образуют карбиды, которые входят в эвтектику – ледебурит, которая распределяется в виде обособленных зерен в основной металлической матрице. Матрица, в зависимости от химического состава, может иметь структуру сорбита или мартенсита. Характерная особенность сталей данного класса является их высокая твердость и износостойкость. Поэтому они используются, главным образом, в качестве инструментальных. В некоторых случаях из таких сталей изготавливают детали повышенной износостойкости (распылители форсунок, уплотнительные устройства арматуры).

Маркировка легированных сталей в России производится по буквенно-цифровой системе. В начале марки указывается число, характеризующее содержание углерода. Двухзначное число указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента, а однозначное число – в десятых долях процента. Затем идут буквы, условно обозначающие введенные в сталь легирующие элементы: марганец – Г, кремний – С, хром – Х, никель – Н, молибден – М, вольфрам – В, ванадий – Ф, титан – Т, кобальт – К, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – Б, бор – Р и др. Буква без цифр справа обозначает, что содержание данного элемента в стали около 1%. Например, марка 9ХС означает, что сталь содержит

1% Si. При содержании легирующего элемента более 1% справа за буквой ставится цифра, показывающая примерное содержание данного элемента в целых процентах. Для высококачественных сталей (т.е. пониженное содержание серы и фосфора) в конце марки ставится буква А. Например марка 12ХН3А соответствует высококачественной стали следующего среднего состава:

3%Ni. Некоторые стали специального назначения выделены в отдельные группы и имеют особую маркировку. Каждой группе присваивается своя буква и ставится впереди:

Р – быстрорежущая сталь;

Ш – шарикоподшипниковая сталь;

Е – электротехническая сталь.

Наибольшее распространение получили следующие легированные стали:

— хромистые, обладающие хорошей твердостью, прочностью: 15Х, 15ХА, 20Х, 30Х, 30ХРА, 35Х, 40Х, 45Х;

— марганцовистые, отличающиеся износоустойчивостью: 20Г, 50Г, 10Г2, 09Г2С;

— кремнистые и хромокремнистые, обладающие высокой твердостью и упругостью: 33ХС, 38ХС;

— хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали: 20Х13, 30Х13, 40Х13, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т;

— хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые, особо прочные, противостоящие износу: 30ХМА, 15ХМ, 15Х5М, 15Х1МФ;

— хромомарганцевокремнистые стали («хромансиль»): 14ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА;

— хромоникелевые, очень прочные и пластичные: 12Х2Н4А, 20ХН3А, 12ХН3А;

— хромоникелевольфрамовые, хромоникелеванадиевые стали: 12Х2НВФА, 20Х2Н4ФА, 30ХН2ВА.

В работе исследуются следующие стали:

1. Хромоникелевая конструкционная качественная сталь содержащая C = 0,3%, Сr ≤ 1%, Ni = 3%. Соответственно химическому составу марка этой стали 30ХН3. Она относится к перлитному классу и имеет структуру перлит + феррит. Аналогичную структуру имеет и углеродистая сталь марки 30. Однако присутствие в ней никеля смещает ее эвтектоидную точку влево. Поэтому содержание углерода в перлите этой стали будет меньше, чем 0,8%. Следовательно, перлита в данной стали больше, чем в углеродистой стали 30, что приводит к повышению механических свойств.

Микроанализ позволяет определить содержание углерода в перлите легированной стали. Для этого необходимо визуально оценить долю площади шлифа, занятую перлитом F_п%. Тогда по известной концентрации углерода в стали С%, можно рассчитать содержание углерода в перлите С_п% по очевидному соотношению:

Например, в легированной стали с С=0,4%, F_п=60%. Тогда

Сталь марки 30XН3 является конструкционной среднелегированной машиностроительной сталью и применяется для изготовления валов, осей и других ответственных деталей. Детали из этой стали для получения высоких эксплутационных свойств подвергаются упрочняющей термообработке – улучшению (закалка с высоким отпуском).

2. Хромистая конструкционная качественная сталь, содержащая С=0,2% и Cr=13%. Соответственно химическому составу марка этой стали 20X13. Данная сталь относится к мартенситному классу. Она коррозийностойкая в воде, влажной атмосфере, водяном паре, что достигнуто легированием хромом в количестве более 12%. Эта сталь используется для изготовления лопаток и сопел паровых турбин, клапанов гидравлических прессов, болтов, гаек и др. деталей. Для достижения наилучших антикоррозионных и механических свойств эта сталь подвергается термообработке на структуру сорбита (закалка +высокий отпуск).

3. Хромоникелиевая конструкционная качественная сталь 12Х18Н9Т, содержащая 0,12%С, 18%Cr, 9%Ni. Это высоколегированная сталь аустенитного класса. Она обладает высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, лучшими механическими и технологическими свойствами по сравнению с хромистыми сталями. Эта сталь имеет аустенитную структуру и поэтому немагнитна.

Недостатком этой стали является то, что при достаточно длительной выдержке при температуре 500–700°С она становится склонной к межкристаллитной коррозии. Это происходит потому, что в этих условиях происходит выделение на границах зерен карбидов хрома. В результате поверхностные слои зерен обедняются хромом и теряют коррозионную стойкость. Для предупреждения этого явления в сталь вводят карбидообразующие элементы (например, Ti или Nb) более активные по отношению к углероду, чем хром. При наличии таких элементов образуются карбиды титана (или ниобия).

4. Кремнистая конструкционная качественная сталь, содержащая 0,08%C и 4%Si. Эта сталь относится к группе электротехнических магнитомягких сталей. Ее марка – 1511. Сталь относится к ферритному классу. Структура стали после нормализации – феррит, легированный кремнием. Такая сталь имеет повышенное электрическое сопротивление, высокую магнитную проницательность и малую коэрцитивную силу. Она легко перемагничивается в переменных магнитных полях и имеет малые потери на вихревые токи. Требуемые эксплутационные свойства стали достигаются длительным отжигом при 1200°С; в процессе которого снимаются внутренние напряжения, укрупняется зерно, что способствует уменьшению коэрцитивной силы. Сталь предназначена для изготовления магнитопроводов трансформаторов и другой аппаратуры переменного тока.

5. Вольфрамохромованадиевая инструментальная сталь содержащая 0,75%С, 18%W, 4%Cr и 1%V. Это быстрорежущая сталь Р18 карбидного (ледебуритного) класса. Она предназначена для изготовления режущего инструмента (резцов, сверл, фрез и др.). Главная особенность инструмента из этой стали – красностойкость, т.е. свойство сохранять режущую способность до температуры примерно 600ºС, соответствующий началу красного свечения.

В литом состоянии быстрорежущая сталь содержит эвтектику, напоминающую ледебурит (рис.7.2). Эвтектика располагается по границам зерен подобно вторичному цементиту в заэвтектоидных углеродистых сталях. Она придает стали высокую хрупкость. Для разрушения сетки и устранения хрупкости сталь подвергается ковке в интервале температур 1150-900°С. Ковкой достигается измельчение карбидных включений и равномерное их распределение по объему металла. После ковки сталь подвергают отжигу. Структура стали после отжига – зернистый перлит (легированный феррит + мелкие карбиды).

Отожженная быстрорежущая сталь имеет невысокую твердость, хорошо обрабатывается резанием. Именно из отожженной стали изготавливают режущий инструмент.

Рис. 7.2. Схема микроструктуры быстрорежущей стали Р18:

а – литой; б – закалённой; в – закалённой и отпущенной

Высокие режущие свойства этого инструмента достигаются термообработкой: закалкой и трехкратным отпуском (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема термической обработки быстрорежущей стали

Закалка быстрорежущей стали производится в масле от температуры 1280°С. Вследствие малой теплопроводности стали ее нагрев производится медленно в два приема: подогрев до 850°С, выдержка при этой температуре для обеспечения равномерного распределения температуры по объему изделия и окончательный нагрев до температуры закалки (1280°С). Такой режим предупреждает образование в стали трещин.

После закалки сталь имеет структуру мартенсита (

60%), остаточного аустенита (

15%). Ее твердость HRC60-62. Невысокая твердость объясняется именно присутствием в структуре остаточного аустенита. Остаточный аустенит сохраняется в структуре из-за того, что температура конца мартенситного превращения в такой стали равна ≈ –90°С и в процессе обычной термообработки не достигается. С целью превращения остаточного аустенита в мартенсит закаленную быстрорежущую сталь иногда подвергают обработке холодом при температуре от –75°С до –80°С, которая близка к температуре для стали Р18. После обработки холодом можно ограничиться однократным отпуском.

Для обеспечения превращения остаточного аустенита в мартенсит производится трехкратный отпуск при температуре 560°С с выдержкой при каждом отпуске в течении 1 часа. Твердость стали после термообработки достигает , внутренние напряжения снижаются, сталь приобретает структуру мартенсит + карбиды.

Порядок выполнения работы:

1. Исследовать пять образцов легированных сталей. По заданному химическому составу определить марку и класс стали, зарисовать схему микроструктуры и указать на ней структурные составляющие.

2. Перечислить характерные особенности изучаемых сталей и способы получения этих свойств, указать назначение стали и привести примеры ее применения.

3. По результатам исследования сформулировать выводы, где отразить, как определяется принадлежность изучаемых сталей к соответствующим структурным классам.

Контрольные вопросы:

1. Приведите классификацию легированных сталей.

2. Укажите классы легированных сталей по структуре в нормализованном состоянии.

3. Как определяется принадлежность той или иной легированной стали к соответствующему структурному классу?

4. Приведите примеры марок легированных сталей для каждого из пяти структурных классов.

5. Укажите характерные примеры применения сталей пяти структурных классов.

6. Какой химический состав имеет быстрорежущая сталь?

7. Какая термообработка применяется для инструмента из быстрорежущей стали? Изобразить график такой термообработки.

8. Какую микроструктуру имеет литая быстрорежущая сталь?

9. Какую микроструктуру имеет быстрорежущая сталь после отжига?

10. Какую структуру имеет закаленная быстрорежущая сталь после отпуска?

11. Как и почему изменяется твердость быстрорежущей стали при отпуске?

12. Что такое красностойкость?

Литература для самостоятельной работы:

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.320-329, 354-358,385-38

Лабораторная работа № 8

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 518 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Закалка — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Содержание

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание "носа" С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

— пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

— пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье "Характеристики закалочных масел"

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

— Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

— Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

— Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

— Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием — сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Сталь после закалки: структура и свойства

Сталь в обычном виде – довольно мягкий и податливый к обработке металл. Особая прочность некоторым маркам (это так называемые стали обыкновенного качества, производимые согласно требованиям ГОСТ 380) и не требуется: тех показателей, что были получены после выплавки, вполне хватает, например, канализационным люкам или оградительным решёткам. Но есть категории сталей – конструкционные и инструментальные, которым изначальных прочностных показателей мало. Их надлежит подвергать термической обработке. Основным её видом считается закалка.

Закалка: сущность операции

Как известно, любая сталь представляет собой твёрдый раствор углерода в основной структуре α-железа. При этом марка определяет процентное содержание углерода (например, марка «сталь 65» означает, что в её составе содержится 0,65% С, сталь У13 содержит около 1,3% С, и так далее). Однако этот элемент – довольно химически активный, поэтому в процессе выплавки (при 1600…2000 °С) он активно связывается железом, образуя в результате цементит Fe₃C. Всё остальное представляет собой феррит – достаточно мягкую структурную составляющую. Большое количество феррита в малоуглеродистых сталях обуславливает их повышенную пластичность, причём даже в холодном состоянии. Это не касается сталей:

1. легированных (они производятся согласно требованиям ГОСТ 4543);
2. подшипниковых по ГОСТ 801;
3. рессорно-пружинных по ГОСТ 2052 и ГОСТ 14959;
4. всех типов инструментальных, как легированных, так и нелегированных.

Чтобы понять эффективность закалки, необходимо обратиться к структуре стали после выплавки и последующей горячей прокатки на необходимый профиль – полосу, пруток или специальный профиль (уголок, швеллер и т.п.).

Любая сталь имеет кристаллическую структуру, которую составляет бесконечное множество кристаллов. Если лить сталь с последующим охлаждением расплава, то эти кристаллы превращаются в многогранные образования, называемые зёрнами. Поскольку при этом происходит активное насыщение кислородом, между смежными кристаллами возникают пустоты, которые в процессе охлаждения слитка постепенно заполняются серой, фосфором и прочими легкоплавкими неметаллическими включениями. Это не только снижает пластичность (фосфор и сера – весьма хрупкие химические элементы), но и способствует появлению весьма грубых скоплений зёрен, что делает металл неравномерным по своей плотности. Обрабатывать такие изделия невозможно – слиток начнёт раскалываться. Поэтому сразу после выплавки выполняется прокатка, в ходе которой исходные дефекты залечиваются, и структура становится более однородной. Соответственно, увеличивается плотность, а также исчезают поверхностные трещины.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Пластическая деформация положительно влияет только на макроструктуру. За изменение микроструктуры отвечает закалка – совокупность технологических методов термической обработки, суть которых состоит в увеличении прочностных показателей стали. Смысл закалки заключается в том, чтобы зафиксировать ряд высокотемпературных составляющих микроструктуры (придающих стали стойкость) для обычных условий эксплуатации изделий. Соответственно, сталь, не изменяя своего химического состава, резко повысит уровень своих некоторых механических характеристик:

1. предела временного сопротивления σ_в, МПа;
2. предела текучести σ_т, МПа;
3. предела усталости σ_и, МПа;
4. твёрдости по Бринеллю HB или Роквеллу НRC.

При этом некоторые показатели – в частности, ударная вязкость, относительное удлинение, – после закалки становятся ниже. Если это критично с точки зрения последующей эксплуатационной стойкости детали (а в большинстве случаев так и происходит), то правильно после её закалки выполнить ряд дополнительных операций: отпуск, старение и др.

Температурные изменения в структуре

Закалка проводится весьма часто для продукции, изготовленной из качественных конструкционных сталей, содержащих более 0,4% С, и практически всегда – для конструкционных легированных сталей, поскольку именно для них обычно и предъявляются повышенные прочностные требования.

Выбор режима закалки зависит от предназначения детали. Наиболее распространены следующие технологии:

• Термообработка малоуглеродистых конструкционных сталей (менее 0,2% С), для которых необходимо сочетание поверхностной твёрдости с достаточно вязкой сердцевиной. В этом случае сначала выполняют цементацию — насыщение поверхности дополнительным количеством углерода, а уже потом сталь закаливают;
• Термообработка среднеуглеродистых сталей с 0,3…0,6% С. Они применяются для производства ответственных машиностроительных изделий сложной формы, которые работают в условиях знакопеременных нагрузок. Нормализация всегда выполняется после закалки;
• Химико-термическая обработка, которая выполняется относительно высоколегированных сталей, где глубинные слои могут оставаться вязкими. Основные варианты исполнения такой обработки – цианирование, нитридирование, сульфурирование – производятся также после закалки.

3 формы кристаллов железа в сверхвысокоуглеродистой стали

Все конструкционные стали относятся к виду доэвтектоидных: процентное содержание углерода в них не превышает 0,8%. В структуре стали после закалки в зависисмотси от условий нагрева имеются следующие составляющие:

1. В диапазоне температур до 723 °С – феррит и перлит (перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, куда подмешиваются и карбиды легирующих элементов).
2. Выше этой температуры и до 850…900 °С– смесь феррита с аустенитом, причём область устойчивого существования структуры зависит от процента углерода, и постепенно снижается от диапазона 950…723 °С до 0.
3. Ниже этой температурной линии структура является уже чисто аустенитной.

Для отображения динамики структурных изменений в конструкционных сталях при их нагреве широко применяется известная диаграмма «железо-углерод», по которой устанавливают режимы закалки и последующего отпуска. Часто тут же приводятся и фотографии структурных составляющих.

Режимы закалки

Поскольку при закалке растут не только прочностные характеристики, но и хрупкость, технология правильного ведения процесса состоит в том, чтобы, с одной стороны, зафиксировать так можно большее количество остающегося аустенита, а другой стороны, снизить негативные проявления таких изменений. Особенно это важно для деталей сложной формы, где уже имеются концентраторы напряжений.

Задача решается ускоренным охлаждением деталей, нагретых выше температуры аустенитного превращения на 30…50 °С, с последующим отпуском. В качестве охлаждающей среды используется вода или масло, а итогом такого охлаждения является появление в микроструктуре мартенсита – пересыщенного твёрдого раствора углерода в железе. Мартенсит — значительно более твердая структура, с иным типом кристаллической решётки и игольчатой структурой кристаллов. Он считается так называемой метастабильной фазой, которая в обычных условиях существовать не может.

Закалка подразделяется на следующие виды:

1. Изотермическую, при которой выполняется непрерывное охлаждение в масле, либо в расплавах солей хлоридов бария и натрия. В результате аустенитное превращение протекает полностью, а в закалённом продукте исключаются трещинообразование и коробление. Изотермическая закалка и отпуск обязательны для конструкций сложной формы и значительных габаритных размеров.
2. Ступенчатую, при которой после закалки в ванне до окончания мартенситного превращения и выравнивания температурных перепадов по всему сечению, продукцию извлекают из закалочной ёмкости, и в дальнейшем охлаждают уже на спокойном воздухе.
3. Сквозную, применяемую для деталей небольших размеров. В результате получается наивысшая равномерность механических свойств.

Три вида отпуска после закалки

Особенности закалки инструментальных сталей заключаются в том, что они работают при гораздо повышенных эксплуатационных нагрузках: например, для тяжелонагруженного инструмента они достигают 3000…3500 МПа. Поэтому крайне важно обеспечить удовлетворительное сочетание всех прочностных параметров. Принципиальным отличием всех режимов закалки инструментальных сталей является обязательность отпуска непосредственно после закалки.

Наилучший результат дают следующие режимы закалки:

1. Изотермическая.
2. Закалка с самопроизвольным отпуском, при которой нагретую деталь кратковременно извлекают из охлаждающей среды (масла), очищают от образовавшейся плёнки окислов, после чего вновь опускают в масляную ванну.
3. Чистая, при которой нагрев ведут в печах с контролируемой атмосферой, свободной от окислов.
4. Светлая, когда продукция нагревается в щелочных расплавах.

Нагрев под закалку проводят преимущественно в электропечах или в газовых печах, атмосфера которых содержит инертный газ. Так обеспечивается качество и полнота мартенситного превращения, исключаются неравномерность свойств и поверхностные дефекты.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.