книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

сие для сталей 12ХНЗА и 12Х2Н4А характеризуется одной и той же кривой, сталь 15Х2ГН2ТРА можно объединить со сталью 18ХНВА, сталь З0ХГСА – со сталью З0ХГСНА и т.д. Все стали с содержанием около 1 % С, в том числе и цементируемые стали после цементации, также имеют одинаковые кривые равновесия с эндотермической атмосферой.

На графиках (см. рис. 2.6 и 2.7), где заштрихованные участки – допустимое по техническим условиям содержание углерода в стали, видно, что равновесие стали с атмосферой печи достигается в определенных для каждой марки стали пределах влажности эндогаза и в соответствующем интервале температур. При влажности эндогаза выше этого предела происходит обезуглероживание поверхности стали, а при влажности ниже этого предела начинается процесс науглероживания. Например, сталь 25 (см. рис 2.6), нагретая до 850 °С, находится в равновесии с атмосферой печи при условии, что поступающий в печь эндогаз имеет влажность 6±2 °С. Повышение влажности эндогаза до +10 °С приводит к понижению содержания углерода в поверхностном слое стали от 25 до 0,20 %, а понижение влажности до 0 °С повышает содержание углерода в поверхностном слое стали до 0,37 %. При температуре 900 °С сталь 25 находится в равновесии с атмосферой печи, при условии подачи в печь эндогаза с точкой росы 2±2 °С. При температуре печи 950 °С для равновесия стали 25 необходим эндогаз с влажностью

–3±1,5 °С.

Равновесие стали 50 с атмосферой печи обеспечивается: при температуре 850 °С эндогазом с влажностью –5±1,5 °С; при 900 °С – эндогазом с влажностью –6±1,5 °С и при 950 °С – эндогазом с влажностью –7,0±1,5 °С (рис. 2.6).

Высокоуглеродистые стали типа У9А сохраняют равновесие с атмосферой печи только при условии, что эндогаз поступает в печь с влажностью –8±1 °С в интервале температур 850–950 °С. Легированные цементируемые стали типа

22

12ХНЗА находятся в равновесии с атмосферой печи при влажности поступающего в печь эндогаза +10±2 °С в интервале температур 850–950 °С (см. рис. 2.7).

Конструкционная легированная сталь марки З0ХГСА при температуре 900 °С находится в равновесии с атмосферой печи при влажности эндогаза –3±2 °С, а для равновесия стали 38ХА при температуре 850 °С требуется влажность эн-

догаза +3±2 °С (см. рис. 2.7).

Для уточнения условий равновесия между сталью

иэндотермической атмосферой печи проводят металлографическое исследование и измерение микротвердости. Результаты исследования показаны на углеродистых сталях 25, 50

иУ9А и легированных сталей 12ХН3А и 38ХА. Предвари-

тельно образцы подвергали отжигу в вакууме при разрежении 10–4 мм рт. ст. [9].

Приготовленные шлифы травили в 3%-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Микроструктура стали 25 после нагрева в течение 1,5 ч в эндотермической атмосфере при разных значениях точки росы, но при одной и той же температуре (900 °С), после охлаждения в воде и отжига в вакууме представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Микроструктура стали 25 после термической обработки в среде эндогаза с различным содержанием влаги (Х300): а – точка росы 0 °С; б – точка росы –5 °С; в – точка росы –10 °С

23

Анализ микроструктуры показывает, что при обработке стали 25 в эндогазе с точкой росы 0 °С наблюдается равновесие между сталью и печной атмосферой. При точке росы –5 и –10 °С сталь 25 науглероживается.

На рис. 2.9 представлена микроструктура стали 50, нагревавшейся при 850 °С в среде эндогаза, поступающего в печь с влажностью 0, –5 и –10 °С. Из приведенных данных видно, что сталь 50 обезуглероживается в эндогазе с точкой росы 0 °С, науглероживается в атмосфере с точкой росы –10° С, а при нагреве стали в эндогазе с точкой росы –5 °С наблюдается равновесие между сталью и печной атмосферой.

Рис. 2.9. Микроструктура стали 50 после термической обработки в среде эндогаза с различным содержанием влаги (Х300): а – точка росы 0 °С; б – точка росы –5 °С; в – точка росы –10 °С

Для высокоуглеродистой стали У9А, микроструктура которой представлена на рис. 2.10, условия равновесия с эндогазом создаются при точке росы эндогаза –10 °С. Это ясно из рис. 2.10, в, где четко видна структура зернистого перлита, характерная для этой марки стали в отожженном состоянии.

Эндогаз с точкой росы выше –10 °С, например –5 °С, уже обезуглероживает сталь У9А (рис. 2.10, б). Глубина обезуглероживания 0,15 мм. При повышении влажности

24

к уменьшению участков перлита, т.е. к обезуглероживанию (рис. 2.12, а), а уменьшение влажности эндогаза до –5 °С науглероживание стали 38ХА (рис. 2.12, в). Здесь видна микроструктура стали 38ХА, обогащенная углеродом. Перлитные участки в этой зоне занимают до 95 % всей ее площади. Данные металлографического анализа хорошо согласуются с результатами изменения твердости поверхности.

На основе этих результатов были построены кривые влияния температуры нагрева образцов и влажности эндогаза (при подаче эндогаза из генератора в печь) на микротвердость поверхности исследуемых сталей [9].

На рис. 2.13 приведена зависимость от температуры и влажности атмосферы печи микротвердости углеродистых сталей, а на рис. 2.14 – легированных сталей. Заштрихованные участки – допустимая по техническим условиям твердость в закаленном состоянии.

27

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы: для стали 25 исходная твердость поверхности обеспечивается в том случае, когда влажность поступающего в печь эндогаза равна +8±2°С при температуре печи 850 °С и 0±2 °С при температуре печи 900 °С (см. рис. 2.13). Для стали 50 необезуглероживающий нагрев обеспечивается эндогазом с влажностью –1±0,5°С при 850 °С и с влажностью

–1,5±0,5 °С при 900 °С.

Условия равновесия стали У9А достигаются только

вэндогазе, поступающем в печь с точкой росы –10 °С при температуре 800–900 °С.

Равновесное состояние между эндогазом и легированными сталями 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 15Х2ГН2ТРА и 18ХНВА

внецементированном состоянии обеспечивается в интервале температур 850–950 °С при влажности эндогаза +10 °С.

Для конструкционных легированных сталей 38ХА и 40ХНВА при температуре 850 °С для равновесия необходим эндогаз с влажностью 0+1 °С, а для сталей З0ХГСА и З0ХГСНА при температуре нагрева 900 °С – с влажностью

–2,5+1 °С (см. рис. 2.14).

Применение эндотермической атмосферы для термических операций, выполняемых при температурах ниже 750°С, запрещено, вследствие ее взрывоопасности. Это должно быть отмечено в инструкциях по технике безопасности.

Рассмотрим светлую закалку деталей из различных сталей с температур нагрева 800–900 °С.

Для создания в печи условий безокислительного и необезуглероживающего нагрева необходимо задать точку росы эндогаза перед поступлением в печь (на выходе из генератора). Рекомендуемые значения приведены в табл. 2.2. Таблица составлена на базе графиков рис. 2.4 и 2.5 (кривые равновесия стали с эндотермической атмосферой) и производственной отработки режимов светлой закалки.

28

Таблица 2.2

Технологические параметры светлой закалки деталей из сталей различных марок [1, 9]

Примечание.

*Нагрев до цементации.

**При нагреве под закалку цементированных деталей, подвергающихся последующей механической обработке, рекомендуется точка росы эндогаза 0 °С.

Исходя из точности регулировки точки росы автоматической установкой УРСГ-1, равной +1 °С, задаваемая по технологическому процессу точка росы эндогаза перед поступлением в печь должна быть n+1 °С.

29

Например, нагрев стали З0ХГСА для светлой закалки с температуры 900 °С обеспечивается при использовании эндотермической атмосферы печи с влажностью –5 °С. Влажность поступающего в печь эндогаза в соответствии с кривыми должна быть –5+1 °С.

Цементируемые стали после цементации подвергаются термической обработке при температуре 800–950 °С в эндотермической атмосфере с влажностью –12±2 °С. Влажность эндогаза, поступающего в печь, должна быть –10±1 °С. В случае если детали после цементации должны проходить механическую обработку, для нагрева под закалку следует применять эндогаз с влажностью около 0 °С. При этом обрабатываемая поверхность не будет цементироваться, а незначительное обезуглероживание цементированной поверхности будет снято при последующем шлифовании.

Все остальные технологические параметры тепловых режимов термической обработки углеродистых и легированных сталей (температура нагрева, скорость нагрева, время выдержки, скорость охлаждения и др.) принимаются на основе применяемой серийной технологии и должны соответствовать принятой технологии термической обработки для данной детали.

Оптимальные режимы светлой закалки, приведенные в табл. 2.2, были проверены на стальных деталях (втулки, поршни, валики, стаканы, роторы и др.) в производственных условиях и приняты в качестве основы технологических рекомендаций по светлой закалке деталей из исследуемых марок стали, с нагревом их в эндотермической атмосфере. Детали для опытной термической обработки были изготовлены из сталей: 45, 38ХА, 40ХНМА, 38ХМЮА, З0ХГСА, 12ХНЗА и ШХ15. Изделия из стали 12ХНЗА предварительно подвергались цементации. Температура нагрева, выдержка и охлаждение деталей при светлой закалке с применением эндотермической атмосферы соответствовали принятой на заводе тех-

30