Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Закалка сталей на мартенсит

15.11.2018

Цель проведения закалки и отпуска (двухэтапной термообработки) состоит в обеспечении комплекса необходимых механических свойств, в частности повышенной прочности по сравнению с отжигом и нормализацией.

Закалку с отпуском используют для широкой номенклатуры углеродистых и легированных машиностроительных и инструментальных сталей. Фазовые превращения в этих сталях соответствуют диаграммам состояния железо — цементит или железо — углерод — легирующий элемент.

Закалка сталей (сплавов на основе полиморфного металла) — это операция термической обработки, которая заключается в нагреве в однофазную аустенитную область (иногда в двухфазные области) и быстром охлаждении со скоростью, предотвращающей равновесный распад аустенита (эвтектоидное превращение).

Проводят закалку для получения мартенсита как самостоятельной фазы, так и в сочетании с аустенитом, трооститом или цементитом. Такое структурно-фазовое состояние рассматривают в качестве подготовительного этапа для последующего отпуска.

Технологическими параметрами при закалке на мартенсит являются температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру закалки выбирают по отношению к критическим точкам (линиям) на диаграмме состояния — Ac1, Ас3, Aст. Закалка от температур выше Ас3 и Aст называется полной закалкой, а закалка от температур в интервале Ac1—Ас3 или Ac1—Aст называется неполной закалкой. Охлаждение при закалке должно быть непрерывным, интенсивным, со скоростью выше критической (рис. 13.9).

Критическая скорость охлаждения сталей (Vкр) — минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит.

К доэвтектоидным сталям применяют полную закалку, т. е. из аустенитной области, от температур выше Ас3 на 30...50 °С. К заэвтектоидным сталям применяют неполную закалку, т. е. из области аустенит + цементит, от температур на 30...50 °C выше Ac1 (рис. 13.10).

В углеродистых сталях полученная в результате закалки неравновесная фаза мартенсит является:

- твердым раствором внедрения;

- твердым раствором внедрения, пересыщенным по отношению к равновесному содержанию углерода (0,006 %) в феррите при комнатной температуре.

Углеродистый мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) решетку, которая существенно отличается от исходной ГЦК-решетки аустенита. Тетрагональность решетки (отношение осей с/а) увеличивается с повышением содержания углерода.

Микроструктура мартенсита является сложной: это мартенсит либо пакетный, либо реечный. Морфология кристаллов зависит от интервалов превращения. Если интервал превращения выше комнатной температуры (до 100 °С), то кристаллы мартенсита приобретают форму реек (рис. 13.11, б). В высокоуглеродистых сталях с пониженным интервалом превращения кристаллы представляют собой пластины (рис. 13.11, а; 13.12).

Значительная разница в удельных объемах аустенита и мартенсита углеродистых сталей (около 3 %) обусловливает не только пластическую деформацию внутри зерен твердого раствора, но и упругую деформацию в объеме изделия. К этому добавляются термические напряжения. В результате резкого охлаждения при закалке заготовки с мартенситной структурой склонны к короблению («поводке») — неравномерному изменению формы и размеров, которое тем больше, чем сложнее форма детали. Это является главным недостатком закалки углеродистых сталей.

В ряде углеродистых и легированных сталей при закалке из аустенитной области возможно протекание бейнитного превращения (см. рис. 13.8, область А —> Б). Полученную в результате такого превращения двухфазную структуру феррит + цементит (а + Ц) не называют перлитом, потому что она сформировалась не при эвтектоидном превращении. Кроме того, форма частиц карбида не пластинчатая, сами частицы сильно дисперсны.

По дисперсности, расположению карбидов и структуре а-фазы различают верхний и нижний бежит. Наилучшими свойствами обладает нижний бейнит: он образуется при температурах ниже 350 °С; дисперсные частицы карбида расположены внутри зерен феррита. Такая структура обеспечивает сочетание высокой прочности, пластичности и ударной вязкости.

Изотермическую закалку на основе бейнитного превращения широко применяют для изделий из легированных сталей, обеспечивая им высокую конструкционную прочность.

Одним из основных технологических свойств стали при закалке является прокаливаемость — способность стали приобретать в результате закалки мартенситную или мартенситно-трооститную структуру с высокой твердостью в слое определенного размера. Количественно прокаливаемость характеризуется критическим диаметром dкр.

Критический диаметр — максимальный диаметр заготовки, при котором в результате закалки получается мартенситная или полумартенситная (50 % мартенсита + 50 % троостита) структура.

Критический диаметр обратно пропорционален критической скорости охлаждения:

dкр = f(1/Vкр).


Прокаливаемость определяется темпом, с которым температура во время быстрого охлаждения распространяется по сечению заготовки конкретного размера с определенной теплопроводностью. При высокой скорости охлаждения обеспечить мартенситное превращение в заготовке можно только при небольших ее размерах. Охлаждение с критической скоростью крупных изделий успевает пройти только в приповерхностных слоях. В глубинных слоях охлаждение происходит со скоростью меньше критической, что приводит к равновесному распаду аустенита с образованием перлита. Ввиду различия скоростей охлаждения по сечению изделия наблюдается различие и в фазовом составе: в приповерхностном слое — мартенсит, а в центре — феррит + цементит (рис. 13.13).

Для того чтобы насквозь прокалить заготовки крупного сечения, их изготовляют из легированных сталей, так как все легирующие элементы (кроме кобальта) снижают критическую скорость закалки.

Выбор той или иной среды охлаждения (вода, масло, воздух, полимерные среды) при объемной закалке определяется критической скоростью охлаждения. Если применяют легированные стали с пониженной критической скоростью закалки, то можно использовать более «мягкие» среды — масло или воздух вместо воды.

По объему изделия, к которому применяют закалку, различают объемную и поверхностную закалки. Большинство изделий подвергают объемной закалке, когда мартенситную (мартенситно-трооститную) структуру получают по всему сечению.

Поверхностную закалку применяют для деталей, в которых по условиям работы требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость, а также высокий предел выносливости.

Для снижения высокого уровня остаточных упругих напряжений, которые характерны для закаленных стальных деталей, проводят также ступенчатое охлаждение при объемной закалке (рис. 13.14, а).

Термические напряжения уменьшаются при условии равномерности прогрева перед мартенситным превращением, чего достигают с помощью ступенчатой закалки: заготовку, нагретую до температуры закалки, переносят в жидкую среду с температурой на 50...100 °C выше температуры начала мартенситного превращения, делают выдержку для выравнивания температуры по сечению и охлаждают на воздухе.

При изотермической закалке сталь не испытывает мартенситного превращения. Выдержку проводят при температуре, когда протекает не мартенситное, а бейнитное фазовое превращение (рис. 13.14, б). В процессе изотермической закалки почти полностью устраняются структурные напряжения. Однако бейнитное превращение протекает не во всех сталях.

Поверхностную закалку стали выполняют в целях повышения твердости, износостойкости поверхности и предела выносливости деталей (зубьев шестерен, шеек валов, направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. Для поверхностной закалки могут применять различные способы нагрева поверхности: газопламенный, токами высокой частоты, электроконтактный, лазерный, электронно-лучевой, плазменный и т. д.

Для изделий несложной формы наиболее часто применяют индукционную закалку с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). При этом способе изделие помещают в переменное электромагнитное поле, создаваемое индуктором — одно- или многовитковым контуром медной трубы, через который пропускают переменный электрический ток. Нагрев осуществляется в результате того, что вблизи поверхности изделия индуктируются вихревые токи (токи Фуко). Охлаждение при закалке проводят через отверстия индуктора (после выключения тока) водным спрейерным или водовоздушным способом.

Преимущества закалки ТВЧ по сравнению с объемной закалкой:

• формирование более мелкого зерна;

• повышение в 2-3 раза предела выносливости;

• сокращение времени термообработки, а следовательно, повышение производительности;

• получение изделий без окалины;

• уменьшение коробления (непроизвольного изменения формы) при закалке;

• возможность полной механизации и автоматизации процесса (включения его в поточную линию обработки без разрыва технологического цикла).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: