книги / Основы металловедения и термообработки

При закалке в двух средах деталь после определенной вы­ держки в воде переносят в охлаждающую среду с меньшей ско­ ростью охлаждения, например в масло. При ступенчатой закал­ ке деталь из воды переносят в жидкую среду с температурой на 50-100 °С выше мартенситной точки М„, дают непродолжитель­ ную выдержку для выравнивания температуры по сечению и окончательно охлаждают на спокойном воздухе. Изотермиче­ ская закалка осуществляется переносом закаливаемой детали из воды в ванну с расплавленными солями, имеющими температуру на 50-100 °С выше температуры М„. После выдержки детали в ванне до полного распада аустенита на структуру нижнего бейнита ее окончательно охлаждают на воздухе. Закалка на нижний бейнит дает сочетание высокой прочности и вязкости стали.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотер­ мической закалке применяют расплавленные соли (55 % KN03 и 45 % NaN02) и щелочи (20 % NaOH и 80 % КОН) в интервале температур 150-500 °С. Чем ниже температура расплава, тем выше скорость охлаждения в нем. Скорость охлаждения возрас­ тает при перемешивании. Если нагрев деталей под закалку про­ водится в не вызывающих окисления жидких слоях (NaCL, КС1, ВаС12), то после закалки в расплавах щелочи детали имеют чис­ тую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.

5.3. Термообработка легированной стали.

Влияние легирования на структурообразование

при термообработке стали

Стали, содержащие специально вводимые элементы, назы­ ваются легированными. Легирование стали имеет целью полу­ чение более высоких по сравнению с углеродистыми сталями механических свойств, а также придание стали специальных

свойств - коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропроч­ ности и др. Следует отметить, что роль легирующих элементов в повышении свойств стали обусловлена их влиянием на про­ цессы структурообразования при термообработке стали (устой­ чивость аустенита при охлаждении, отпускоустойчивость мар­ тенсита, сдерживание роста зерна аустенита и т.п., рассмотрены ниже). В связи с этим применение более дорогих легированных сталей целесообразно только для деталей, подвергаемых термо­ обработке.

Принятая в России буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей позволяет указать в марке стали содержа­ щиеся в ней легирующие элементы и их количество.

Основные легирующие элементы и их обозначение в марке стали: Сг - обозначается буквой X, Ni - Н, Мп (если > 0,8 %) - Г, Si (если > 0,4 %) - С, W - В, Mo - М, V - Ф, Al - Ю, Ti - T, Nb - Б, Со - К, Си - Д, В - Р. Концентрация Nb, Ti обычно » 0,1 %,

аВ < 0,005 % (микролегирование).

Вконструкционных легированных сталях обозначение ма­ рок сталей означает: первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента; после буквы, обозначающей

легированный элемент, указывается его среднее содержание

вцелых процентах, если оно больше 1 % (если меньше, или около

1% - цифра не ставится). Например, сталь 38ХНЗМФА содер­ жит - 0,38 % С, 1,2-1,5 % Сг, 3 % Ni, 0,3-0,4 % Mo, 0,1-0,2 % V.

Винструментальных сталях начальная цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода в стали около 1 % и более, начальную цифру не ставят.

По легированию стали могут называть хромистыми, мар­ ганцевыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хромомарганце­ выми, хромоникельмолибденовыми и др.

По назначению легированные стали разделяют на конст­ рукционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Влияние легирования на комплекс свойств стали эффек­ тивно проявляется только в термоупрочненном состоянии.

стойких дисперсных карбидов VC, TiC, NbC, ZrC сдерживает рост аустенитного зерна при повышении температуры нагрева легированных сталей при проведении закалки.

При высоком содержании карбидообразующих легирую­ щих элементов сталь становится заэвтектоидной при содержа­ нии углерода менее 0,8 % (сталь 40X13), а при высоком содер­ жании углерода (« 1 %) в структуре стали могут быть первич­ ные (ледебуритные) карбиды (инструментальные стали типа Х12МФ и быстрорежущие).

Легированный аустенит более устойчив при охлаждении ниже критической температуры А и чем аустенит углеродистой стали, что иллюстрируют кривые изотермического распада (рис. 67). Увеличение продолжительности минимального инку­ бационного периода уменьшает критическую скорость охлаж­ дения стали (Г,*), необходимую для обеспечения мартенситного превращения аустенита.

Рис. 67. Диаграммы изотермического превращения аустенита

углеродистых и легированных сталей: а - легирующие элементы

не образуют карбидов; б - легирующие элементы образуют карбиды

Повышение устойчивости аустенита при температурах ниже А\ имеет исключительно важное значение для практики термооб­

Скорость охлаждения при 700 °С

Расстояние от закаливаем ого торца

а

Рис. 68. Определение прокаливаемости по торцовой пробе:

а - изменение твердости по длине образца после торцовой закалки: I - твердость полумартенситной зоны; 1 - сталь с низкой прокапиваемостью; 2 - сталь с высокой прокаливаемостью;

б - схема закалки образца

Легирующие элементы, вводимые в сталь и повышающие устойчивость аустенита при охлаждении, не только сдвигают вправо кривые изотермического превращения аустенита и изме­ няют их вид (см. рис. 67), но и изменяют температуру начала и завершения мартенситного превращения аустенита (темпера­ туры Мв и Мк). Стали, температура Мк которых ниже комнатной, после закалки содержат в структуре наряду с мартенситом зна­ чительное количество остаточного аустенита. Только А1 и Со повышают температуру мартенситного превращения, уменьшая количество остаточного аустенита.

Остаточный аустенит понижает твердость закаленной стали и, будучи нестабильной фазой, способен к распаду в процессе работы детали во времени, что может значительно изменить размеры детали и свойства стали. В связи с этим детали из ста­

Рис. 69. Изменение твердости закаленных сталей при отпуске: У 12 - углеродистые стали; высоколегированные стали Х12

(2 % С, 12 % Сг), закалка от 950 °С; Р18 (0,75 % С, 18 % W, 4 % Сг, 1,2 % V), закалка от 1260 °С

Многие легирующие элементы повышают температурный интервал распада остаточного аустенита при отпуске до темпе­ ратур 400-580 °С. Наличие в твердом растворе легирующих элементов сдерживает выделение из остаточного аустенита спе­ циальных карбидов и повышает температуру отпуска, необхо­ димую для уменьшения легированное™ аустенита и превраще­ ния его в мартенсит при последующем охлаждении.

Как уже отмечалось, в результате отпуска мартенсита ха­ рактеристики прочное™ стали монотонно снижаются, а харак­ теристики пластичности - возрастают. По мере повышения температуры отпуска увеличивается и ударная вязкость стали. Однако есть два интервала температур отпуска, при которых ударная вязкость сталей заметно снижается: 250-350 и 500-600 °С (рис. 70) - температуры отпуска, вызывающие отпускную

хрупкость 1-го и 2-города соответственно. Природа охрупчивания сталей после отпуска при указанных температурах недостаточ­ но ясна, несмотря на многочисленные ее исследования.

Рис. 70. Влияние температуры отпуска и скорости охлаждения от температуры отпуска на ударную вязкость конструкционных легированных сталей (схема):

I - отпускная хрупкость 1-го рода; П - отпускная хрупкость 2-го рода

Отпускная хрупкость 1-го рода, называемая необратимой, наблюдается у всех сталей, независимо от степени легирования. Отпускная хрупкость 2-го рода наблюдается только у легиро­ ванных сталей - хромистых, марганцевых, хромоникелевых, хромомарганцевых и др. и проявляется только при медленном охлаждении деталей с температур отпуска. Быстрое охлаждение с температур отпуска (в воде или масле) предотвращает охруп­ чивание. Повторный нагрев на температуру отпуска с после­ дующим ускоренным охлаждением также ликвидирует охруп­ чивание стали (отпускная хрупкость 2 -го рода называется обра­ тимой). При невозможности ускоренного охлаждения с температуры отпуска (детали большого сечения) сталь допол­ нительно легируют Mo (0,3-0,4 %) или W (1-1,2 %), подавляю­ щих развитие отпускной хрупкости 2-го рода.