книги / Термоциклическая обработка сталей и чугунов

воде с температур 810—820° С, отпуск при 480—520° С в течение 4—5 ч с охлаждением вместе с печью до 200° С, затем на воз­ духе; второй стабилизирующий отжиг при 400—450° С в течение 4—5 ч с последующим охлаждением вместе с печью до 200° С и далее на спокойном воздухе вне печи. Вторая партия оснований датчиков обрабатывалась по новому, описанному выше режиму.

Испытания, имитирующие реальные условия эксплуатации датчиков на металлорежущих станках, производились так: дат­ чики прикрепляли к станине постоянно работающей испыта­ тельной машины на многоцикловую усталость и в таком состоя­ нии выдерживали. Замеры поводок производились ежемесячно

Таким образом, исследования показывают, что измельчение зерен в конструкционных сталях маятниковой ТЦО открывает не известные ранее возможности в разработке и практическом освоении новой стабилизирующей обработки в точном приборо- 11 машиностроении. Решение одной только этой задачи с по­ мощью ТЦО может иметь большое народнохозяйственное значе­ ние. Кроме того, маятниковая термоцнклическая обработка, снижающая внутренние напряжения, эффективна в применении к сварным деталям или конструкциям. Она также исправляет дефекты ковки и горячей штамповки. Перегретые детали, имею­ щие дефектную структуру и неудовлетворительные свойства из углеродистых и легированных конструкционных сталей, напри­ мер из сталей 45, 40Х, 5ХНМ, 18Х2Н4МА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 12ХНЗА, 38ХНЗМФА и других, хорошо «исправляются» маятни­ ковой термоциклической обработкой.

§ 4. Способ среднетемпературной ТЦО конструкционных сталей

Один из основных путей повышения конструктивной проч­ ности сталей — получение структуры зернистого сорбитообраз­ ного перлита по всему сечению стальных изделий, а не только

32

с поверхности и на глубину, ограниченную прокаливаемостыо. Перлит при охлаждении стали из состояния аустенита сформи­ ровывается не в момент прохождения температуры Ап [103]. Формирование цементита—процесс диффузионный. Чтобы моле­ кулы цементита «выстроились» в пластинки, необходимо до­ статочное переохлаждение и некоторое время для диффузии. Это приводит к тому, что при охлаждении после прохождения температуры Аг\ вначале возникают центры кристаллизации це­ ментита, а а-решетка железа еще в значительной степени пере­ сыщена углеродом. Дальнейшее охлаждение сопровождается направленным ростом цементных включений и только при тем­ пературах на 80—100° С ниже АтХзаканчивается процесс форми­ рования перлита с пластинчатой формой цементита. Следова­ тельно, если с температур несколько, например на 30—50° С, ниже Аг\ произвести быстрое (фиксирующее) охлаждение в во­ де, то, по-видимому, будет получена структура с преимущест­ венно зернистой (шаровидной) формой цементита. При замочке в воду время охлаждения невелико, поэтому не происходит диф­ фузионного формирования пластинок цементита. Выделение це­ ментита, находившегося к моменту быстрого охлаждения в ста­ дии предвыделення, произойдет на существующие и вновь воз­ никающие центры кристаллизации цементита. Так можно по­ лучить структуру, состоящую из феррита и множества мелких шаровидных зерен цементита, представляющих собой неразви­ тые центры кристаллизации.

Это свидетельствует об имеющейся возможности активно вмешиваться в процесс кристаллизации аустенита и тем самым формировать нужную структуру, в частности мелкозернистый сорбитообразный перлит. Однако далеко не всякая возможность реализуется сразу, так как для этого, как правило, требуются соответствующие условия. В данном случае непременным усло­ вием получения мелкодисперсного зернистого перлита в стали является не только правильный выбор температуры, с которой необходимо производить ускоренное охлаждение, но и кратко­ временность распада аустенита на этапе медленного охлажде­ ния. Если, например, сталь 45 нагреть до температур выше Лсз, т. е. полностью перевести сталь в состояние аустенита, то при последующем медленном охлаждении в большей части аусте­ нита уже в промежуточной зоне температур (между Асз и Ас,) подготавливается формирование пластинчатого цементита, и дальнейшее ускоренное охлаждение с температур несколько ни­ же Аг\ не дает желаемого результата — почти весь перлит ока­ зывается пластинчатым.

Следовательно, чтобы в структуре сплава цементит был не в виде пластинок, а мелкозернистым, необходимо соблюдение при охлаждении следующих требований:

— малое переохлаждение распадающегося аустенита при от­ носительно быстром его охлаждении (ускоренное охлаждение —

33

для зарождения большого числа центров кристаллизации цемен­

тита);

— недостаточное (для диффузионного формирования пла­ стинчатого цементита) время медленного охлаждения после у->а-перехода.

Условия охлаждения требуют снижения температуры нагре­ ва до нескольких десятков градусов выше Ас\ вместо Асз и сложного охлаждения. Охлаждение можно производить, напри­

мер, вначале на воздухе до температур на 30—50° С ниже Лг1, а затем в воде или масле. Однако такой однократный нагрев п охлаждение стали оставляет в структуре большую часть феррита без изменений. Для получения максимальной однородности структуры по содержанию углерода (цементита), т. е. чтобы, весь феррит претерпел фазовое превращение, необходимо про­ извести несколько нагревов и охлаждений (термоциклов) по опи­ санной выше технологии. В результате такой ТЦО получается

34

структура сорбитообразного перлита и улучшаются механиче­ ские свойства стали. Это новый способ термоциклической обра­ ботки сталей [100].

При термоцикличеокой обработке для получения сорбитообразиой структуры и улучшения механических свойств изделия или заготовки из конструкционных ул1геродисты1Х сталей много­

рис. 13, а ход изменения температуры термообрабатываемого изделия — на рис. 14. /Элтимальиое число термоциклов опреде­ лялось по достижению наибольшей работы разрушения. Для этого применительно к каждой исследуемой стали находилась зависимость ударной вязкости от -числа термоциклов. Такая зави­ симость для стали 45 приведена на рис. 15. Из рисунка видно, что сталь 45 необходимо подвергать 4—5-кратному термоциклированшо. Структурные изменения, например в стали 45, в процессе термоциклической обработки показаны на рис. 16.

Электронно-микроскопические' исследования подтверждают, что в результате ТЦО конструкционные углеродистые стали при­ обретают весьма -мелкое зернистое строение с равномерным распределением мельчайших сферических включений цементита. Так было установлено,-что ТЦО по описанному способу приво­ дит к структуре сорбитообразного (аналогично сорбиту отпу­ ска) перлита. При ТЦО получение сорбитиой структуры (сорбитообразного перлита) не ограничено по сечению изделий, как это обусловлено прокаливаемостыо при закалке и высоком от­ пуске (улучшении). Следовательно, ТЦО при получении струк­ туры сорбитообразного перлита (снимая проблему прокалидаемости) устраняет необходимость легирования сталей с целью увеличения их прокаливаемости.

§ 5. Механические свойства сталей после среднетемпературной ТЦО

Определение механических свойств сталей при кратковремен­ ных испытаниях на разрыв и ударную вязкость показало, что среднетемпературная обработка по описанному в § 3 режиму

формации.

Изменение механических свойств термоциклической обработ­ кой в сравнении с нормализацией представлено в табл. 3. Ре­ зультаты экспериментов (табл. 3) показывают, что ТЦО суще­ ственно повышает упругость, пластичность и вязкость сталей. Предел текучести увеличивается на 6—15%, показатели пла­ стичности— на 10—25%, а ударная вязкость — на 70—П0%,

3 6

т. е. примерно в 2 раза. Увеличение ударной вязкости происхо­ дит в основном за счет увеличения ар. Значения составляющих

37

Термоцнклирование повышает ударную вязкость при ком­ натных температурах и при пониженных, что особенно важно для техники, эксплуатируемой на Севере. На рис. 17 и 18 приведены зависимости ударной вязкости от температуры ста­ лей 15 и 45. Среднетемпературное термоциклирование по опи­ санному способу значительно уменьшает чувствительность ста-

а

(рис. 19). Так, для улучшенной (прошедшей за'калку и высо­ кий отпуск) стали 45 а_1К=170 МПа=17 кгс/мм2, а для термо-

С целью выяснения вопроса, не влияет ли различные разме­ ры и масса термообрабатываемых изделий на их свойства, были проведены термоциклические обработки заготовок различных размеров. Так, на заготовке диаметром ПО М1.м и длиной 400 мм разница в прочностных свойствах стали 40 в сердцевине и на поверхности заготовки не превышала 7—10%. При этом разброс данных, например по ударной вязкости, равнялся 22%, а увели­ чение значений аи составляло 88—110% по всему сечению за­ готовки.

;38

Г Л А В А III

ВЛИЯНИЕ СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЦО НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА

§ 1. Особенности фазовых превращений при ТЦО легированных сталей перлитного класса

Применение ТЦО к легированным сталям требует учета осо­ бенностей этих сталей. Легирование снижает термодинамиче­ скую активность углерода в стали и его диффузионную подвиж­ ность. Замедление диффузионных процессов растворения цемен­ тита и выделение его из аустенита приводит к увеличению про­ должительности изотермического распада аустенита, делая бо­ лее устойчивым переохлажденный аустенит. Это увеличивает прокаливаемость сталей. Поэтому легированные конструкцион­ ные стали находят широкое применение в машиностроении.

Описанный в § 4 гл. II способ термоциклической обработки углеродистых сталей может быть применен без существенного изменения технологии к легированным сталям перлитного клас­ са (суммарное содержание легирующих элементов до 5%). Спо­ соб предусматривает (на первой стадии охлаждения) распад аустенита на механическую смесь феррита и цементита, следо­ вательно, охлаждение до температур несколько ниже Ат\ необ­ ходимо вести со скоростью, меньшей о1ф закалки. Это необхо­ димое условие технологии способов ТЦО, основанных на исполь­ зовании процесса распада аустенита при охлаждении, ограни­ чивает применимость описанных в предыдущей главе способов ТЦО. Для легированных сталей, закаливающихся при охлажде­ нии на воздухе, должна быть разработана специальная техноло­ гия охлаждений при ТЦО.

Легирующие элементы определенным образом изменяют кри­ тические точки в сплавах. В частности, температура АсХ в одном случае возрастает, а в другом снижается {85]. Влияние некото­ рых легирующих элементов на температуру Ас\ показано на рис. 21, а численные значения температуры Ас\ при медленном

40