книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

равновесия фаз. Не случайно при .медленном охлаждении угле­ род концентрируется в аустените до содержания 0,8% и со­ храняется в этом объеме, если выдерживать сталь при темпе­ ратуре Ас\. Необходимо учесть, что при нагреве до температур выше Ас\, но ниже Ас3, растворимость углерода в аустените воз­ растает и становится больше 0,8%. Растворимость углерода в феррите и при больших температурах мала. Поэтому нет при­ чин для самюдиффузни углерода из аустенитных зерен в фер­ рит. Но феррит при нагреве выше Ас| снижает свою устойчи­ вость, и приграничные атомы а-решетки диффузионно подстраи­ ваются, в силу действия межкристаллических сил взаимодейст­ вия атомов железа, к кристаллической решетке у, так как меж­ атомные силы, создающие у-решетку, в этом случае больше сил, удерживающих а-решетку. Такова суть диффузионного ме­ ханизма а-^у-превращеиня. При этом действует самодиффузия углерода в нов'ые слон аустенита, стабилизируя их и выравни­ вая химсостав по объему аустенитных зерен. Так увеличивается объем аустенитной фазы при нагреве стали.

При быстром нагреве выше Ас\ вступает в действие вынуж­ денная диффузия углерода — его ’термодиффузия. Углерод пе­ ремещается в более горячие зерна аустенита, возникающие в феррите на границе с массивом мелких зерен аустенита (вместо перлита)#. Процесс термоднффузии углерода более интенсивен. В силу этого ранее метастабильные зерна аустенита стабилизи­ руются поступившим в них углеродом. Более того, эти крайние зерна в массиве аустенитных зернышек оказываются более на­ сыщенными углеродом, чем внутренние.

Если после этого, например, сталь 40, нагретую несколько выше температуры /1сь охладить на воздухе, то процесс обрат­ ного структурного превращения не будет идентичен тому, кото­ рый имеет место при охлаждении после выдержки. Выдержка выравнивает химический состав в объеме аустенитных зерен. При охлаждении выделяется феррит, объем аустенита умень­ шается при увеличении в нем концентрации углерода. Процесс распада аустенита, насыщенного до 0,8% углерода, происходит известным образом {35]. Если же производить охлаждение с бы­ строго нагрева до те*млератур несколько выше Ась то исходная структура аустенита будет другой. Охлаждаемый аустенит име­ ет, во-первых, больший объем и, следовательно, меньшую об­ щую концентрацию углерода. Аустенит в стали, быстро нагре­ той до температуры Лс1, имеет концентрацию углерода не ~0,8% , а меньше. Во-вторых, аустенит мелкозернистый. Третья особенность: в приграничных областях с ферритом аустенит не­ сколько пересыщен углеродом и, следовательно, более устой­ чив.

В процессе охлаждения стали с такой структурой аустенита распад аустенита происходит следующим образом. Вначале рас­ падаются на феррит и перлит те мелкие зерна аустенита, кото-

22

рыс имеют меньшую .концентрацию углерода (внутренние). Этому процессу немного способствует и то, что температура этих внутренних зерен несколько ниже, чем у крайних. Крайние нагреваются от перегретого феррита. Таким образом, при охлаждении стали из аустенита с содержанием углерода меньше 0,8% мелкие зерна феррита (соответствующие размеру аусте­ нитных зерен) выделяются внутри аустенита, оставляя границу раздела феррит—аустенит на прежнем месте и пока без реакции у-нх-лревращения. Приграничные зерна аустенита (с большим содержанием углерода) претерпевают распад на ферритно-пер­

козернистой смеси перлита и феррита, т. е. Ф +(П + Ф). Мелко­ зернистую структуру перлита с небольшим количеством феррит­ ных зернышек внутри его иногда называют псевдоперлитом или псевдоэвтектоидом. Общее содержание углерода в псевдоперлитс всегда меньше 0,8%.

Описанный цикл нагрева и охлаждения всего лишь первый шаг к полному измельчению зерен в стали. Если сталь с полу­ ченной после одного такого термоцикла структурой еще раз нагреть и охладить, то количество феррита, не переработанного в мелкозернистую структуру перлита и феррита, будет меньше. Так, за четыре-пять термоциклов происходит полное измельче­ ние зерен в стали. Дальнейшая перекристаллизация структурносвободного феррита при нагревах всего на несколько градусов выше Ас1 происходит по следующим причинам.

При повторном нагреве стали аустенизация перлита проис­ ходит известным образом. Однако, как и при первом нагреве, возникает метастабильный аустенит только в крупных зернах феррита, точнее на их границе с аустенитом. Мелкие же зерна феррита, находящиеся внутри прежнего псевдоперлита (внутри мелкозернистой перлитно-ферритной смеси), в процессе превра­ щения перлита в аустенит имеют меньшую температуру. Круп­ ные зерна феррита при нагреве стали имеют перегрев относи­ тельно тех мнкрообъемов металла, где происходит а-^у-превра- щение, поглощающее тепло.

Мелкие зернышки феррита не могут перегреваться, так как окружающие их зерна перлита не пропускают к ним тепловую энергию, поглощая ее при перекристаллизации. Поэтому в мел­ ких зернышках феррита образование метастабильного аустени­ та затруднено. Этот феррит в процессе повторного нагрева оста­ ется стабильным, не претерпевает превращения в аустенит.

Распространение а^у-превращения при ТЦО доэвтектоидиой стали направленное. Эвтектоидное превращение постепенно от цикла к циклу охватывает весь структурно свободный феррит

23

в отожженных и нормализованных сталях. Так, последователь­ ными нагревами конструкционной стали до температур немного выше Лс\ н охлаждениями ее па воздухе до комнатных темпе­ ратур можно добиться несколькими неполными превращения-ми полной перекристаллизации стали с образованиями мелкозер­ нистой структуры.* Это приводит к соответствующему улучше­ нию механических свойств.

Однако пет смысла производить все охлаждения до комнат­ ных температур. Структура пластинчатого перлита при охлаж­ дении полностью сформировывается при температурах порядка 600° С. Дальнейшее охлаждение на воздухе не изменяет струк­ туры стали. Поэтому охлаждения при термоциклировании на мелкозернистую структуру можно (и с точки зрения экономиче­ ской нужно) производить не полностью, а на 50—80° С ниже Аг\. Охлаждение с последнего нагрева — на воздухе до комнат­ ной температуры.

Исследование по определению оптимального режима средне­ температурной термоциклической обработки, измельчающей зерна в сталях, проводилось с использованием метода планируе­ мого эксперимента. В данном случае переменными параметрами являлись: скорость нагревов, температура, скорость охлажде­ нии и число термоциклов. Установлено, что чем больше скорость нагревов при ТЦО и меньше перегревов относительно Лс(, тем мельче получается зерно в углеродистой конструкционной ста­ ли. Однако при этом необходимое число термоциклов возраста­ ет. При ускоренных печных нагревах режим термоциклической обработки доэвтектоидиых углеродистых сталей на мелкозерни­ стую структуру состоит в четырех-пятикратном нагреве до тем­ ператур на 30—50° С выше температуры Ас\ с последующим охлаждением на воздухе до температур на 50—80° С ниже кри­ тической температуры Ат\. Охлаждение с последнего нагрева— на воздухе до комнатной температуры. Описанная термоцикли­ ческая обработка названа «маятниковой», так как температур­ ный интервал термоциклирования находится вблизи темпера­ тур перекристаллизации. Режим маятниковой ТЦО показан на рис. 6.

Быстрый печной нагрев при ТЦО достигается, если произво­ дить садку изделий в перегретую печь. Скорость нагрева до не­ обходимых температур будет тем выше, чем больше, температу­ ра в печи и меньше масса термически обрабатываемого изде­ лия.

Оптимальными скоростями нагревов стали являются от 50 до 100° С/мин. Они достигаются в случае средних размеров дета-

* 4—5-кратнля неполная закалка с быстрого нагрева конструкционных сталей тоже приводит к полной закалке с формированием под прочным зака­ ленным слоем мягкой и вязкой прослойки. Детали с такой структурой, по-ви­ димому, могут обладать уникальными свойствами: например, высокой износо­ стойкостью и малой чувствительностью к концентрации напряжений у вершин трещин, возникающих в поверхностном закаленном слое.

24

кривой нагрева (см. рис. 4). Для этого на одном из изделий за­ писывается с помощью самопишущего потенциометра, напри­ мер ЭПП-09, и зачеканенной в изделие термопары кривая на­ грева и охлаждения. При достижении соответствующих темпе­ ратур при нагреве и охлаждении определяется длительность технологических операций. Впоследствии процесс ТЦО осуще­ ствляют, контролируя время нагревов и охлаждений.

Структурные изменения (измельчение зерна и снижение хи­ мической неоднородности), происходящие при маятниковой ТЦО

встали 40, показаны на рис. 8. В результате маятниковой термоцнклической обработки, например стали 45 с размером зерен

в5 баллов, измельченные зерна достигают величин 11 —12 бал­ лов. Это означает, что одно зерно дробится примерно на 1000 мелких зерен. Такие изменения в структуре положительно ска­

зываются на механических свойствах конструкционных сталей.

§ 2. Влияние маятниковой ТЦО на механические свойства конструкционных сталей

Наиболее структурно-чувствительной характеристикой меха­ нических свойств является ударная вязкость. Поэтому поиск оптимального режима ТЦО эффективно осуществлять, опреде­ ляя и анализируя значения ударной вязкости. Увеличение чис­ ла термоциклов приводит к тому, что ударная вязкость вначале растет, а после 5—6 циклов остается практически неизменной. Результаты испытаний сталей 30, 45 и 60 на ударную вязкость при различном числе циклов маятниковой ТЦО представлены в табл. 1. Из данных табл. 1 видно, что оптимальное число термо-

Таблица 1

Ударная вязкость (а„) после маятниковой ТЦО с различным числом термоциклов, Дж/см2 (кгс м/см2)

циклов при данном способе ТЦО, как по механическим свойст­ вам (удельной работе разрушения— а„), так и по структуре (см.

26

рнс. 8), равно пяти-шести. Увеличение ударной вязкости в ре­ зультате маятниковой ТЦО сталей смещает порог хладноломко­ сти в область отрицательных температур. Проведенные экспери­ менты показали, что хладостойкость углеродистых сталей, тер­ мически обработанных по маятниковому режиму ТЦО, лучше, чем у нормализованных сталей. На рис. 9 показаны зависимости ударной вязкости стали 45 от температуры испытаний.

Твердость сталей при маятниковой ТЦО остается практиче­ ски неизменной. Она сохраняется на уровне твердости норма­ лизованной стали. Однако другие свойства, определяемые при кратковременных разрушениях металлов, существенно меняют­

С целью оценки влияния ма­ ятниковой ТЦО на качество ста-

Таблица 2

Механические свойства сталей после'нормализации и маятниковой ТЦО

27

ли по методу ударных испытаний надрезанных образцов [37] были определены составляющие ударной вязкости стали 45 пос­ ле нормализации п ТЦО. Этими составляющими являются ар и ал — работа зарождения трещины в условиях стандартного над­

испытания показали увеличение комплекса механических харак­ теристик сталей в результате маятниковой ТЦО.

Испытания на циклическую прочность (усталость) стали 45. прошедшей нормализацию (первая партия образцов) и ТЦО по маятниковому режиму (вторая партия образцов) проводились на машине типа Веллера с консольной схемой нагружения. Об­ разцы изготовлялись в соответствии с ГОСТ 2860-65 и имели кольцевую вытачку (надрез). Радиус вершины надреза 0,25 мм, диаметр образца по надрезу 7,5 мм. Поверхность в основании надреза полировалась до V 12. Результаты испытаний на уста­ лость показали, что сг_ц; = 130 МПа = 13 кгс/мм2 у нормализован­ ной стали 45, а у термоцнклироваииой сг_1К= 150 МПа = = 15 кгс/мм2. Очевидно, что маятниковая ТЦО снижает чувстви­ тельность стали к концентрации напряжений в связи с большой ее пластичностью.

Приведенные выше данные механических испытаний указы­ вают на то, что маятниковая ТЦО увеличивает комплекс свойств, предопределяющих конструктивную прочность сталей. Исследо­ вания показали, что маятниковая ТЦО применима и к легиро­ ванным сталям перлитного класса.*) Так, маятниковая термо­ обработка литой стали 35ГТР повышает ее ударную вязкость с 54—65 до 91—102 Дж/см2, т. е. с 5,4—6,5 до 9,1—10,2 кгс-м/см2, а срок службы опорных катков трактора ДТ-54, изготавливае­ мых из стали 35ГРТ, увеличивается после маятниковой ТЦО н среднем на 37% [90].

§ 3. Способ стабилизирующей обработки конструкционных сталей

Требования к размерной стабильности деталей прецизионных машин и приборов постоянно возрастают.>Для некоторых ш них допустимая линейная нестабильность не должна превышать 10~с—К)-7 мм мм. Постоянство размеров должно сохраняться в условиях длительной эксплуатации изделий как при постоянной,, так и при переменной температурах.

*) Развитие маятниковой ТЦО применительно к легированным сталям ти­ па Г20, испытывающим при охлаждении одновременно два фазовых превраще­ ния у->е и у-их, привело к созданию нового способа термоциклнческой обра­ ботки. Авторам его, сотрудникам Уральского политехнического института нм. С М. Кирова (г. Свердловск) И. Н. Богачёву и А. Г. Руденко, выдано авторское свидетельство № 482504.

28

Проблемастабилизирующих обработок металлических мате­ риалов сложна и еще недостаточно разработана. Существующие способы стабилизирующих обработок не удовлетворяют требова­ ниям современного точного машиностроения и приборостроения (117]. Известно, что чем меньше внутренние напряжения ( а ОСт)

в изделии, тем выше его стабильность, тем меньше его поводка

стечением времени. Поэтому понижение остаточных внутренних напряжений является важной задачей стабилизирующей обра­ ботки. С другой стороны, необходимо, чтобы показатель сопро­

тивления микропластическим деформациям ог был как можно более высоким. Деталь не будет деформироваться, если выполня­ ется общее условие 0 дсис.Тп.<сгг,где а ДСцстп.—суммарное действую­ щее напряжение от внешних и внутренних (остаточных) напря­ жений. Если деталь не подвергается внешним нагрузкам, то Оист должно быть меньше аг. Следовательно, второй задачей стабилизирующей термообработки является увеличение ог. Важ­ ное значение имеет и модуль упругости В: при более высоком значении В материал лучше сопротивляется упругим деформа­ циям.

Предел микропластической деформации ог экспериментально определить трудно. Однако установлена его прямо пропорцио­ нальная зависимость от макроскопического продела текучести (аг<^ат). Поэтому о а,- можно судить по ат или по уело-виому пределу текучести ао,2- Необходимо добиваться увеличения ат пли а0>2. Однако это при существующих способах термической обработки (используют по существу закалку и отпуск) всегда сопровождается увеличением сг0ст1 что отрицательно сказывается на конечном результате. Использование обычных способов тер­ мообработки имеет некоторое естественное ограничение в полу­ чении высоких значений прочности (ат, аг) и упругости (Е) при \ страненип остаточных напряжений аОС-

Предел микротекучести связан с размером зерен [73]. Чем мельче зерна в стали, тем выше предельное напряжение начала микпотекучести. С другой стороны, чем мельче зерна, тем в большей степени снимаются остаточные напряжения при повы­ шенных температурах и тем выше релаксационная стойкость стали при комнатных температурах. На рис. 10 показана релак­ сация, снятие напряжений в стали 10 с различной величиной зер­ на [117].

Добиться существенного увеличения стабильности стальных изделий можно только при получении в стали мелких зерен. Именно в этом направлении ведутся основные работы металло- ведов-термистов. Так, добиться измельчения зерен, например, в литой стали 40, можно при двукратном отжиге при 1000—1300 и 900—1100° С с последующей закалкой с температур 850— 870° С ;[73]. Второе направление исследований по измельчению зерен в стали — это применение эффекта измельчения зерен при наклепе и рекристаллизации. Оба эти направения не являются

24

перспективными для создания эффективной технологии стабили­ зирующей обработки. При обычных способах термической обра­ ботки зерна в сталях мало измельчаются, а быстрые у-нх-пре- вращения при закалке увеличивают а0ст и оставляют их значи­ тельными даже после многочасового стабилизирующего отжига с последующим старением. Наклепом и рекристаллизацией зер­ на измельчаются достаточно хорошо, но желательно еще боль­ шее измельчение зерен. Кроме того, внутренние напряжения после наклепа с большой степенью деформации (иначе не про­ изойдет измельчение) не полностью устраняются последующн-

б,

ми рекристаллизацией и стабилизирующим отжигом, например при 400—450° С.

Маятниковая термоциклическая обработка позволяет полу­ чать сверхмелкозернистую структуру в сталях. При этом про­ цесс у-нх-превращений происходит медленно (как при нормали­ зации) и остаточные внутренние напряжения после маятнико­ вой ТЦО невелики. Возникшие при ТЦО аост легко снимаются из-за большой мелкозернистости стали. Кроме того, увеличение ат при маятниковой ТЦО (см. табл. 2) сопровождается повыше­ нием < г. Эти два обстоятельства позволяют с помощью маятни­ ковой ТЦО значительно увеличить размерную стабильность тер­ мически обрабатываемых изделий.

Так как размеры деталей, подвергаемых стабилизирующей обработке в точном машиностроении и приборостроении, как правило,"невелики, их маятниковую ТЦО рекомендуется прово­ дить с использованием соляных ванн. Нагрев в расплаве солей обеспечивает высокую и равномерную скорость нагрева, не до­ пускает перегревов и образования окалин.

30