Закалка без полиморфного превращения и старение цветных сплавов

 

Закалка разделяется на 2 вида: закалка без полиморфного превращения и закалка на мартенсит. Закалка без полиморфного превращения применяется для алюминиевых, магниевых, большинства медных, никелевых сплавов, которые в результате такой закалки не получают значительного упрочнения, а в некоторых случаях даже разупрочняются, и получают повышенную пластичность, а высокая прочность закаленных изделий достигается в результате старения.

 

Закалка

При закалке без полиморфного превращения сплавы нагревают до температур, при которых избыточные фазы частично или полностью растворяются в твердом растворе, после чего проводят изотермическую выдержку для гомогенизации высокотемпературного твердого раствора, и последующее быстрое охлаждение, например, в воде, при котором подавляется обратное диффузионное фазовое превращение в сплаве, и в нем после закалки фиксируется то состояние твердого раствора, которое являлось равновесным (устойчивым) при температуре нагрева под закалку. Зафиксированный при комнатной температуре твердый раствор оказывается пересыщенным, метастабильным, способным к распаду.

 

Старение

 

Состояние сплавов после закалки можно охарактеризовать понятием метастабильного пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора при закалке может происходить одновременно одним или несколькими компонентами сплава, однако, в большинстве случаев, рассматривают пересыщение главными легирующими компонентами, образующими при распаде упрочняющие фазы. В качестве таковых, например, в сплавах системы алюминий – медь – магний – кремний такими элементами могут быть либо только медь, либо медь и магний, либо все три легирующих элемента.

Кроме пересыщения твердого раствора легирующими компонентами, закаленный сплав имеет повышенную концентрацию точечных дефектов (закалочных вакансий). Часто после закалки сплавы оказываются настолько метастабильными, что начальные стадии распада твердых растворов могут частично проходить либо непосредственно при закалочном охлаждении, либо при комнатной температуре сразу после него.

Схема процессов распада включает следующие основные стадии, развивающиеся друг за другом, и накладывающиеся своими начальными и конечными этапами на смежные процессы:

флуктуационное диффузионное перераспределение атомов растворенного вещества внутри объема переохлажденного пересыщенного твердого раствора с образованием микронеоднородностей (МН) твердого раствора, обогащенных атомами растворенного вещества;

образование зон твердого раствора с упорядоченным расположением атомов растворенного вещества в виде тонких дискообразных областей, характеризующихся искажением кристаллического строения в области перехода таких областей к окружающему твердому раствору и полной когерентностью их решеток (зоны Гинье-Престона 1 и 2 - ЗГП1 и ЗГП2);

образование и последующий рост зародышей метастабильной избыточной фазы, в отличие от ранее выделившихся ЗГП, характеризующихся собственной кристаллической решеткой, отличной от решетки матричного твердого раствора, но и не соответствующей решетке стабильной фазы, свойственной для равновесной системы компонентов;

образование зародышей стабильной фазы и их рост, сопровождающийся обеднением пересыщенного твердого раствора вплоть до равновесных концентраций;

коагуляция частиц выделившейся стабильной фазы.

Таким образом, цепочку превращений при распаде пересыщенных твердых растворов в связи с ростом температуры и длительности выдержки при старении можно представить в виде последовательности:

МН ® ЗГП1® ЗГП2 ® Q” ® Q’® Q® коагуляция частиц.

В результате полного завершения всех указанных процессов система стремится к восстановлению фазового равновесия, нарушенного операцией закалки. В этом случае фазовый состав и структура должна соответствовать равновесной фазовой диаграмме, хотя полного равновесия не удается достичь даже при самых высоких температурах старения.

Операции старения и отпуска, как правило, не проводятся при таких предельно высоких температурах, а ограничиваются лишь значениями, при которых развитие процессов распада доходит только до некоторых промежуточных стадий, не допуская развития последующих, что позволяет регулировать фазовый состав, структуру и свойства сплавов. Температуру старения устанавливают с учетом требований к свойствам для конкретного изделия. Каждая из стадий распада характеризуется своими закономерностями.

Основными технологическими параметрами старения являются температура нагрева и время выдержки. Зависимость основных прочностных свойств сплавов при старении, например, термически упрочняемых алюминиевых сплавов (рисунок 7.7) показывает, что влияние температуры старения на твердость и другие прочностные характеристики сплава при старении выражается кривой с максимумом (рисунок 7.7, а).

Рисунок 7.7. Характер изменения твердости (НВ) и других прочностных свойств сплавов при старении в зависимости от: а - температуры (Т); б - длительности выдержки (t); Зак - уровень твердости сплава в закаленном состоянии; Отж - то же, отвечающий отожженному состоянию сплава; 0 - 6 - различные температурные уровни старения (одинаковые для а и б)

Зависимости твердости от длительности выдержки и температуры старения (рисунок 7.7, б) имеют также либо форму кривой с максимумом (кривые 2 - 4), либо только части такой полной кривой (кривые 0, 1, 6), что характеризует развитие лишь ограниченной части процессов в непрерывной цепи распада твердого раствора, которые оказываются возможными при том или ином температурном уровне старения.

Естественное старение дуралюминов, т.е. старение при комнатной температуре, приводит преимущественно к упрочнению зонами Гинье-Престона. Этому эффекту соответствует кривая 1 (рисунок 7.7, б), характерной особенностью которой является выход ее на определенный уровень упрочнения, который не уменьшается в течение очень больших выдержек при комнатной температуре, обеспечивая надежную работу изделий в таких температурных условиях эксплуатации. Однако уровень упрочнения, достигаемый при естественном старении, не является предельным для большинства алюминиевых сплавов.

Более высокие значения прочностных свойств и особенно предела текучести сплавов, достигаются при искусственном старении, упрочнение при котором обеспечивается за счет выделения частиц промежуточных метастабильных фаз. Максимум на температурной кривой упрочнения (рисунок 7.7, а), по М.В.Захарову, соответствует температуре

 

Тmax = (0,55... 0,6)·Tпл.

 

Старение при температуре, обеспечивающей максимальные прочностные свойства, называется полным искусственным старением.

Однако после полного искусственного старения сплавы характеризуются очень низкими значениями пластических характеристик (относительное удлинение, сужение). Лучший комплекс механических свойств сплавов может быть получен при неполном (кратковременном) искусственном старении, на 20-30°С ниже температуры максимума (рисунок 7.7, а, температурный уровень 2), либо при стабилизирующем старении, также на 20 - 30 °С выше температуры максимума (рисунок 7.7, а, температурный уровень 4).

В обоих случаях прочностные свойства оказываются на 5 - 10% ниже максимальных, получаемых при полном искусственном старении, но пластические характеристики в 1,5 - 2,0 раза выше значений соответствующих свойств после полного старения. Дополнительным преимуществом неполного старения является более высокая коррозионная стойкость большинства алюминиевых сплавов по сравнению со сплавами, прошедшими полное искусственное старение.

Существенным преимуществом стабилизирующего искусственного старения является высокая стабильность структуры и свойств сплавов в процессе эксплуатации, особенно при повышенных рабочих температурах. Поэтому такому режиму старения подвергают сплавы, предназначенные для работы в условиях сложнонапряженного состояния и высоких рабочих температур (жаропрочные алюминиевые сплавы). Старение при наиболее высоких температурах называется разупрочняющим.

Эффект упрочнения сплавов при старении зависит от химического состава сплавов и его фазового и структурного состояния. В первом приближении уровень упрочнения почти линейно зависит от содержания элемента-упрочнителя в сплаве, а также от состава и структуры упрочняющей фазы.

Чем сложнее состав и структура фазы-упрочнителя, тем выше эффект упрочняющей термической обработки. Возможности упрочняющей термической обработки сплава и ожидаемые ее результаты могут быть определены при изучении диаграмм состояния рассматриваемой системы.

 

Закалка на мартенсит

 

При закалке сплавов на основе полиморфных металлов, в том числе сталей, быстрое закалочное охлаждение с температур высокотемпературной фазы (аустенита - в сталях) подавляя обратное диффузионное превращение, не может подавить перестройки решетки, обусловленной явлением полиморфизма. Поэтому, при закалке сталей такое обратное полиморфное превращение происходит бездиффузионным путем по особому механизму, называемому мартенситным. Образующаяся структура называется мартенситом. На микроструктуре она имеет игольчатый характер, что обусловлено рассечением плоскостью шлифа очень тонких, располагающихся под углом друг к другу пластинчатых кристаллов мартенсита. Мартенсит в стали - это пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Кристаллическая решетка мартенсита аналогична ОЦК решетке равновесной при комнатной температуре фазе - ферриту. Однако она имеет тетрагональное искажение (вытянутость решетки вдоль одной из осей куба) на величину, пропорциональную степени пересыщения углеродом. Степень тетрагональности (отношение осей решетки с/а) равна:

 

с/а = 1+0,046 Р,

 

где Р - содержание углерода, %.

Такое искажение кристаллической решетки является главной причиной упрочнения стали после закалки. Другой причиной упрочнения является фазовый наклеп мартенсита, обусловленный тем, что перестройка решетки при мартенситном превращении сопровождается актами внутрикристаллитной пластической деформации, что вызывает резкое увеличение плотности дислокаций. Третья причина высокой твердости мартенсита связана с частичным распадом мартенсита в период закалочного охлаждения с выделением высокодисперсных карбидных частиц, упрочняющих сталь. Твердость после закалки средне- и высокоуглеродистых сталей может достигать 60 - 65 ед HRC., что обеспечивает достижение высокой износостойкости и прочности стали при минимальной пластичности. Способность стали повышать свою поверхностную твердость в результате закалки называется закаливаемостью.

Мартенситное превращение развивается только в условиях непрерывного охлаждения между точками начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения, значения которых зависят от содержания углерода в аустените (рисунок 7.8).

Рисунок 7.8. Мартенситная диаграмма для углеродистых сталей: Мн и Мк - соответственно, точки начала и конца мартенситного превращения Мd - точка начала мартенситного превращения под действием деформации

Кроме того, положение мартенситных точек зависит от содержания легирующих элементов.

Чем больше степень легирования, тем ниже температуры начала и конца мартенситного превращения. Для многих сталей точка конца мартенситного превращения лежит ниже комнатной температуры.

Поэтому, после закалки в структуре стали всегда присутствует остаточный аустенит. Существуют и другие причины сохранения в стали остаточного аустенита. На положение точек мартенситного превращения оказывает влияние деформация.

Назначение температуры нагрева под закалку

 

Основными технологическими параметрами закалки стали являются: температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Для сталей нагрев под закалку должен обеспечить осуществление при нагреве аустенитного превращения, а также полное или частичное растворение в образующемся аустените избыточной фазы (феррита - в доэвтектоидной стали, вторичного цементита или карбидов - в заэвтектоидных углеродистых или легированных сталях). Температура нагрева под закалку зависит от положения критических точек для каждой конкретной стали. Для углеродистых сталей она может быть выбрана непосредственно по диаграмме железо - углерод (рисунок 7.9).

 

Рисунок 7.9. Схема выбора температуры нагрева под закалку по диаграмме железо-углерод (заштрихованные области).

 

Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку должна быть выше температуры Ас₃ на 20 - 30 °С, иногда на 50 °С. Наиболее высокая температура может быть назначена при термической обработке легированных, особенно природно-мелкозернистых сталей или в случае применения высокоскоростного нагрева под закалку, например, при закалке токами высокой частоты (т.в.ч.) либо других методах поверхностной закалки. Использование температур нагрева, превышающих оптимальные значения, приводит к избыточному, часто недопустимому росту аустенитного зерна и получению грубоигольчатого мартенсита после закалки и снижению прочностных и пластических характеристик стали.

Заэвтектоидные стали нагревают под закалку до температур на 35 - 60 °С выше точки Ас₁, но ниже точки Ас_m. При этом сохраняются после закалки частицы вторичного цементита (карбидов - в легированных сталях), что не снижает прочностные характеристики, а наоборот, увеличивает твердость и износостойкость стали, уменьшает степень роста зерна в этих сталях.

В высоколегированных сталях, например, быстрорежущих, содержащих очень большое количество карбидообразующих элементов (вольфрама, молибдена, ванадия, хрома) количество избыточных карбидов и их устойчивость оказывается настолько высокими, что они сохраняются не растворившимися почти до температуры плавления (1200 - 1300 °С).

Это предотвращает рост аустенитного зерна в стали вплоть до предплавильных температур, что позволяет использовать такие температурные параметры закалки в качестве оптимальных для быстрорежущих сталей, которые необходимы для наиболее полного растворения высоколегированных карбидов. Это обеспечивает повышение прочности, красностойкости стали, повышение режущей стойкости инструментов.

Охлаждение при закалке стали

Охлаждение при закалке проводится с максимально высокими скоростями, предотвращающими диффузионный распад переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь, т.е. скорость охлаждения должна превышать критическую скорость закалки. На изотермической либо термокинетической диаграмме распада переохлажденного аустенита критическая скорость закалки изображается в виде касательной к С – образным кривым в области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (рисунок 7.10).

Здесь на рисунке 7.10, а линия 1 соответствует охлаждению с критической скоростью, линия 2, пересекающая С-кривые, свидетельствует о том, что уменьшение скорости охлаждения менее критической приводит к диффузионному распаду переохлажденного аустенита, исключая мартенситное превращение, что не соответствует условиям проведения закалки. Линии 3 - 5, соответствующие скоростям охлаждения, превышающим критическую, обеспечивают развитие мартенситного превращения, подавляя диффузионный распад.

 

Рисунок 7.10. Схемы назначения оптимальных условий охлаждения при закалке: а - интервал оптимальных скоростей охлаждения; б - оптимальный график охлаждения

 

Скорость охлаждения при закалке, однако, не должна быть слишком большой, поскольку ее чрезмерное увеличение приводит к росту закалочных внутренних напряжений, что может вызвать коробление изделий или образование трещин.

Анализ оптимальных условий охлаждения при закалке (рисунок 7.10, б) показывает, что предельно высокая скорость охлаждения необходима лишь в области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (область температур 650 – 500°С) с целью подавления диффузионного распада, а дальнейшее охлаждение может проводиться с меньшими скоростями (см. пологий участок кривой охлаждения ниже температур 500 – 450 °С).

Охлаждающие среды

Наиболее широко распространенной классической охлаждающей средой, используемой для закалки, является вода. Это объясняется ее широкой распространенностью, доступностью, относительной дешевизной и рядом замечательных теплофизических свойств, позволяющих осуществлять охлаждение со скоростями, превышающими критические скорости закалки многих сталей.

Однако во многих случаях закалочное охлаждение может быть проведено с меньшими скоростями, обеспечивающими получение меньшего уровня закалочных напряжений и исключение деформации изделия.

В таблице 7.1 приведены ориентировочные выборочные данные о максимальных скоростях охлаждения в некоторых закалочных средах в различных температурных интервалах охлаждения, поясняющие некоторые преимущества тех или иных сред.

 

Таблица 7.1 - Сведения об охлаждающей способности некоторых закалочных сред

Разновидности закалочных сред	Скорости охлаждения, °С/с, в температурном интервале охлаждения, °С
	650 - 550	300 - 200
Вода при температуре 18 °С
Вода при температуре 28 °С
Вода при температуре 50 °С
Вода при температуре 74 °С
10% водный раствор NaCl при 18°С
Минеральное масло	100-150	20-50
Сжатый воздух
Спокойный воздух

Из приведенных данных следует, что повышение температуры воды, используемой при закалке стали, от 18 до 74 °С уменьшает охлаждающую способность ее в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (650 – 550°С), практически не изменяя ее в интервале развития мартенситного превращения (300 – 200 °С). Это, во-первых, может не обеспечить подавления диффузионного распада аустенита на феррито-цементитную смесь, а, во-вторых, не исключает образования в период развития мартенситного превращения высокого уровня структурных закалочных напряжений.

Существенно увеличивается охлаждающая способность при использовании в качестве закалочных сред растворов солей и щелочей, которые могут оказаться весьма эффективными при закалке малоуглеродистых сталей. При этом наиболее целесообразно применение водного раствора поваренной соли.

Принципиальным отличием минеральных масел и других углеводородов в качестве закалочных сред является малая скорость охлаждения в области температур развития мартенситного превращения, что исключает опасность образования закалочных трещин и уменьшает коробление изделий.

Струйное охлаждение сжатым воздухом и на спокойном воздухе можно применять лишь для закалки специальных высоколегированных сталей с предельно высокой устойчивостью к распаду переохлажденного аустенита либо для никелевых и некоторых других сплавов в малых сечениях.

Необходимо учитывать, что приведенные сведения по скоростям охлаждения являются сугубо ориентировочными и могут иметь место лишь для очень тонких изделий. Реальная скорость охлаждения изделий в различных охлаждающих средах, а также в различных точках по сечению одного и того же изделия отличается от этих значений. Последнее положение говорит о том, что на поверхности и в центре изделий могут протекать разные превращения переохлажденного аустенита, в связи с чем возникает явление прокаливаемости.

Прокаливаемость стали

Прокаливаемость - это способность стали закаливаться на определенную глубину. Существует несколько характеристик прокаливаемости: глубина закаленного слоя; полоса прокаливаемости; критический диаметр и некоторые другие. Глубина закаленного слоя характеризует фактическое распространение закаленного слоя на конкретной детали или заготовки, измеренное прямым экспериментом, например, измерением твердости по сечению разрезанного закаленного образца или детали (рисунок 7.11).

Полоса прокаливаемости (рисунок 7.11, б) является статистической характеристикой, строится в тех же координатах и включает две кривые, проведенные по минимальным и максимальным значениям, полученным по множеству результатов измерения при закалке образцов одной и той же марки стали разных плавок. Критический диаметр - это такой максимальный диаметр (рисунок 7.12), который закаливается насквозь в данном виде охладителя.

Основным методом регулирования прокаливаемости является легирование стали. Для наибольшего повышения прокаливаемости и получения сталей сквозной прокаливаемости используют комплексное легирование несколькими компонентами (стали 5ХНМ, 45ХН2МФА и др.).

 

Рисунорк 7.11. Схема определения глубины закаленного слоя (а) и общий вид полосы прокаливаемости (б)	Рисунок 7.12. Схема определения критического диаметра: 3 - критический диаметр

 

Для получения сталей регламентированной (ограниченной) прокаливаемости (сталь 58, бывш. 55ПП и др.) стремятся максимально исключить легирующие компоненты из стали, в том числе кремний и марганец.

Способы закалки стали

 

Непрерывная закалка я вляется наиболее распространенным способом закалки. При ее осуществлении используется лишь одна охлаждающая среда во всем интервале температур закалочного охлаждения (рисунок 7.13, а).

Примерами закалки в одном охладителе является закалка углеродистых сталей в воде или легированных сталей - в масле. Достоинством такой закалки, обеспечивающим ее наиболее широкое использование в практике промышленного производства, является простота выполнения. Однако при закалке в одном охладителе, например в воде, скорость охлаждения в мартенситном интервале температур может оказаться слишком высокой, что вызывает образование высокого уровня закалочных напряжений, и сопровождается короблением изделий или появлением трещин. Структура сталей после непрерывной закалки мартенсит и остаточный аустенит.

 

Закалка с обработкой холодом

В том случае, если количество остаточного аустенита в результате закалки оказывается слишком большим (это наблюдается в случае закалки высоколегированных сталей или даже углеродистых, но при использовании слишком высоких температур нагрева под закалку), то после закалки производят обработку при температурах ниже 0 °С (рисунок 7.13, б). Такое сочетание операций называют закалкой с обработкой холодом.

Теоретической основой закалки с обработкой холодом является то, что остаточный аустенит, сохраняющийся в стали после закалочного охлаждения до комнатной температуры, является термодинамически неустойчивым, и способным к мартенситному превращению при дальнейшем понижении температуры ниже 0°С. Поэтому, применение обработки холодом с целью уменьшения количества остаточного аустенита возможно для сталей, у которых точка конца мартенситного превращения (М_к) ниже комнатной температуры (см. рисунок 7.8).

Технология обработки холодом предусматривает охлаждение изделия непосредственно после закалки до температур от минус 60 до минус 70 °С в специальных охладительных камерах. Более низкие температуры не приводят к дальнейшему уменьшению количества остаточного аустенита. В некоторых случаях более просто технологически проводить обработку холодом непосредственно в жидком хладагенте, в качестве которого может быть использован жидкий азот, либо смеси его с углеводородами типа спирта, ацетона и др. Температура кипения жидкого азота составляет минус 196 °С, а в смеси с углеводородами могут быть получены промежуточные температуры от минус 196 до плюс 20°С.

 

Рисунок 7.13. Способы закалки стали: а - непрерывная; б- с обработкой холодом; в - с подстуживанием; г - прерывистая (через воду в масло); д - с самоотпуском; е - сорбитизация ходовых колес; ж - ступенчатая; з - изотермическая

 

Закалка с подстуживанием

Одним из способов, обеспечивающих относительно низкий уровень закалочных напряжений,является закалка с подстуживанием (рисунок 7.13, в). Наиболее широко этот способ применяется при закалке крупногабаритных массивных деталей, особенно сложной конфигурации, а также в случае закалки цементуемых изделий непосредственно после газовой цементации и нитроцементации. Подстуживание производят обычно на воздухе или в камерах (зонах) подстуживания. Этим приемом удается уменьшить градиент температур по сечению изделия, возникающий после его погружения в закалочную среду, а следовательно и уровень термических и структурных закалочных напряжений.

Прерывистая закалка

Наиболее эффективное уменьшение уровня закалочных напряжений может быть достигнуто применением прерывистой закалки (закалки в двух охладителях), примером которой может явиться закалка через воду в масло (рисунок 7.13, г). Нагретое до закалочных температур изделие сначала погружают на несколько секунд в воду, а затем немедленно переносят его во вторую охлаждающую среду - масло. Таким образом, обеспечивается быстрое охлаждение в области температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита к распаду (650 – 500 °С) и последующее относительно медленное охлаждение в области температур развития мартенситного превращения (300 – 200 °С). Это обеспечивает минимальный уровень закалочных внутренних напряжений.

Однако такие качества проявляются только при условии очень точного выполнения планируемого графика, а это в реальных условиях оказывается зависимым от квалификации рабочего, его мастерства и других субъективных факторов.

Закалка с самоотпуском

В том случае, если при прерывистой закалке быстрое охлаждение, например в воде, провести таким образом, чтобы температура на поверхности изделия опустилась ниже точки начала мартенситного превращения, а сердцевина осталась горячей и затем выдать изделие на воздух, то тепло, сохранившееся в центральных объемах детали, перераспределится на поверхность и повысит ее температуру. При этом произойдет частичный распад мартенсита, обеспечив протекание процессов отпуска. При этом обеспечивается сочетание высокой твердости и износостойкости при низком уровне остаточных напряжений. Такая технология носит название закалки с самоотпуском (рисунок 7.13, д).

В настоящее время закалку с самоотпуском применяют при закалке ТВЧ, а также для сорбитизации в качестве операции термического упрочнения проката, головок железнодорожных рельсов и ободов ходовых стальных колес для железнодорожного транспорта, грузоподъемных кранов и др.(рисунок 7.13, е).

Установки для сорбитизации сортового проката и железнодорожных рельсов чаще всего устанавливаются в потоке прокатки на технологической линии прокатного стана в виде душирующего охладительного устройства заданной длины (рисунок 7.14), что при известной скорости перемещения изделия в потоке прокатки, обеспечивает строго регламентированную длительность охлаждения его поверхности с температур окончания горячей прокатки, до температур развития мартенситного превращения в поверхностных слоях при сохранении горячей сердцевины.

Рисунок 7.14. Схемы охладительных устройств для сорбитизации: а - сортового проката; б - головок рельсов

 

Сорбитизация ходовых колес осуществляется в специальных закалочных установках (рисунок 7.15), позволяющих предельно снизить уровень возникающих закалочных напряжений в период закалочного охлаждения за счет использования многократного пикового циклического охлаждения закаливаемой поверхности обода колеса, чередующегося с отогревами ее в каждом цикле за счет тепла сердцевины.

Рисунок 7.15. Схема установки для сорбитизации ходовых колес

 

Для сорбитизации колеса нагревают объемно в печи, производят выдержку, достаточную как для прогрева его по всему сечению, так и для завершения фазовых превращений при нагреве, а затем устанавливают колесо на вращающийся приводной ролик такти образом, что колесо при вращении попадает ободом под слой воды и затем на воздух, где обод частично отогревается до следующего попадания под слой воды.

Время вращения колеса 2 - 3 минуты, после чего колесо выдается на воздух и устанавливается в металлический короб, а затем подвергается дополнительному отпуску для снятия напряжений.

Обычно твердость колеса после такой обработки составляет 320 – 380 НВ, что соответствует структуре троостита.

Ступенчатая закалка

Наиболее надежное уменьшение уровня закалочных напряжений достигается при ступенчатой закалке (рисунок 7.1, ж), которая выполняется с использованием в качестве закалочных охлаждающих сред расплавов солей или металлов, нагретых до температур выше точки начала мартенситного превращения закаливаемой стали на несколько градусов или несколько десятков градусов. Охлаждение проводят погружением в нагретую жидкую среду изделий с кратковременной выдержкой при температуре ступеньки, что обеспечивают релаксацию термических напряжений выравнивание температуры изделия по сечению. Структура стали после ступенчатой закалки такая же, как и после непрерывной закалки, отличаясь от нее более значительным количеством остаточного аустенита.

Изотермическая закалка

Изотермическая закалка выполняется аналогично ступенчатой с использованием в качестве охлаждающих закалочных сред расплавов солей, щелочей либо металлов (свинец, цинк и др.). Отличием ее от ступенчатой закалки является то, что длительность выдержки при температуре охлаждающей среды принимается более значительной, с таким расчетом, чтобы переохлажденный аустенит претерпевал распад в области развития промежуточного (бейнитного) превращения. Это соответствует температуре охлаждающей среды и изотермической выдержки ниже перегиба С – образных кривых (рисунок 7.13, з).

Различают изотермическую закалку на верхний и на нижний бейнит. При этом сталь со структурой нижнего бейнита характеризуется наиболее высоким сочетанием прочностных и пластических характеристик. Закалка на структуру верхнего бейнита производится с использованием температуры изотермической выдержки 450 - 550°С, нижнего бейнита - 200-300 °С. Структура нижнего бейнита имеет игольчатое строение, напоминающее структуру игольчатого (двойникованного) мартенсита. Верхний бейнит имеет перистое строение, аналогично структуре массивного (пакетного) мартенсита.

Способы поверхностной закалки

Для получения на поверхности детали высокой твердости и износостойкости, при вязкой сердцевине применяют поверхностную закалку. Для поверхностной закалки используют методы высокоскоростного нагрева. Чем более тонкий слой закаленного слоя требуется получить, тем выше должна быть скорость нагрева, поскольку при малых скоростях нагрева значительная часть подводимого тепла будет перераспределяться к сердцевине изделия, увеличивая глубину нагрева. По этой причине температуру нагрева для поверхностной закалки выбирают с учетом скорости нагрева. Чем выше скорость нагрева, тем выше должна быть температура нагрева под закалку (рисунок 7.3, а кривые 1,2,3).

Высокоскоростной нагрев обусловливает получение при поверхностной закалке сверхмелкозернистой структуры стали. Образующуюся структуру часто называют бесструктурным мартенситом, который имеет более высокую твердость по сравнению с обычной печной закалкой на 1,5 - 2,0 ед. по Роквеллу.

По методам нагрева выделяют следующие способы поверхностной закалки: с газопламенным нагревом; токами высокой частоты (метод В.П. Вологдина); в электролите (метод И.З. Ясногородского); с контактным нагревом (метод Н.В. Гевелинга); с использованием высококонцентрированных источников энергии (лазерный, плазменный, электронно-лучевой нагрев).

Индукционная закалка токами высокой частоты

Индукционный способ закалки токами высокой частоты получил в настоящее время наиболее широкое распространение благодаря его многочисленным преимуществам перед другими способами поверхностной закалки. Такими преимуществами являются:

высокая производительность процесса;

возможность точной регулировки температурно-временных режимов нагрева и охлаждения и, следовательно, глубины закалки;

возможность организации процесса закалки с самоотпуском;

относительно простая система механизации и автоматизации процесса и возможность встраивания агрегата закалки токами высокой частоты (т.в.ч.) в линию механической обработки деталей, что исключает излишнюю транспортировку деталей;

незначительное коробление деталей при закалке;

отсутствие обезуглероживания поверхности и незначительное ее окисление;

получение твердости на 1,5 - 2,0 ед. НRC выше, чем при объемной печной закалке.

Теоретической основой закалки т.в.ч. является то, что в изделии, помещенном в переменное электромагнитное поле, индуктируются вихревые токи (токи Фуко), концентрирующиеся вблизи поверхности изделия. Причем, чем выше частота переменного электромагнитного поля, тем в более тонком слое концентрируются вихревые токи и тем выше плотность тока, протекающего в приповерхностных слоях детали.

Для создания электромагнитного поля используется индуктор, представляющий собой в большинстве случаев одновитковый или многовитковый контур из медной трубки, через который пропускается переменный электрический ток (рисунок 7.16). Индуктор изготавливается из трубки в связи с тем, что его необходимо постоянно охлаждать проточной водой для предотвращения его нагрева при пропускании через него электрического тока. Форма индуктора определяется формой детали. Деталь при нагреве располагают в индукторе с небольшими, строго определенными зазорами, что определяет требуемую скорость нагрева и равномерность нагреваемого слоя по всей поверхности. На острых кромках деталей в связи с чрезмерной концентрацией вихревых токов может возникать местный перегрев. Для исключения опасности перегрева или даже оплавления в этих участках увеличивают зазоры между поверхностью детали и индуктором.

Рисунок 7.16.Принципиальная схема индукционного нагрева деталей токами высокой частоты: 1 - индуктор; 2- деталь; 3 - охлаждающая вода

 

Питание индуктора электрическим током производится от генераторов разного типа, обеспечивающих различную частоту тока: машинных с частотой тока 2500 - 8000 Гц, тиристорных - 10 - 70 кГц, ламповых - 60 - 250 кГц. При этом оказывается возможным получать различную глубину закаленного слоя в зависимости от частоты: 2,5 кГц - 3 - 8 мм; 8 кгц - 2 - 3 мм; 67 кгц - 1,0 - 2,5 мм и при 250 кГц - 0,3 - 1,5 мм.

Лазерная поверхностная обработка

В качестве высококонцентрированных источников энергии выступают облеченные в технологическую оболочку, обнаруженные в последнее время различные физические эффекты, позволяющие в микросечениях и микрообъемах концентрировать высокие уровни энергии. К таким источникам относятся, в первую очередь, излучение лазера, сконцентрированный световой луч, электронный пучок, плазменные потоки.

Основной характеристикой таких источников энергии является высокая энергетическая насыщенность потока, позволяющая нагревать очень тонкие слои изделий в течение долей секунды в широком диапазоне возможных температур нагрева, включая температуры оплавления.

Скорости нагрева достигают величин 10⁴ - 10⁵ °С/с. После окончания действия такого теплового источника и нагрева очень тонкого слоя происходит самопроизвольное его охлаждение за счет перераспределения тепла в холодную сердцевину. При этом скорости охлаждения также оказываются сверхвысокими (10³ - 10⁶ °С/с), часто превышающими скорость охлаждения при обычной закалке в воде или иных быстроохлаждающих средах. Эффективность термического упрочнения высококонцентрированными источниками энергии мало зависит от природы используемого физического явления (лазерная закалка, электронно-лучевая или плазменная).

В большей степени эффективность упрочнения определяется мощностью энергетического потока и характером его воздействия (непрерывный, импульсный). В данном разделе будут рассмотрены сведения о влиянии лазерной обработки на структуру и свойства слоя. Другие методы энергетического воздействия имеют аналогичный характер.

Использование высококонцентрированных источников энергии позволяет проводить поверхностное упрочнение за счет различных структурных факторов в зависимости от значения достигаемой температуры нагрева. Различают четыре пути упрочнения поверхностного слоя:

структурное упрочнение, достигаемое высокоскоростным нагревом тонкого поверхностного слоя до температур, не превышающих температур фазового превращения;

упрочнение путем поверхностной закалки с получением метастабильного фазового состояния и последующим старением или отпуском;

упрочнение путем нагрева поверхностного слоя до температур, превышающих температуру плавления с последующей ускоренной кристаллизацией, при которой достигается образование сверхмелкозернистой кристаллической структуры, аморфного состояния вещества либо иных метастабильных состояний закристаллизованной поверхности;

упрочнение путем поверхностного легирования слоя на основе протекания микрометаллургических процессов в поверхностном расплаве и диффузионного взаимодействия легирующего компонента в слое с основой сплава, в результате оплавления высококонцентрированным источником энергии поверхности изделия вместе с предварительно нанесенным на поверхность слоем легирующего компонента.

для алюминиевых, магниевых, никелевых сплавов размер дендритной ячейки, полученной при кристаллизации в зоне лазерного оплавления составляет d = 0,4 мкм, что на несколько порядков меньше размера зерна исходных сплавов.

При еще больших скоростях охлаждения образующиеся кристаллы могут получить размеры, соизмеримые с несколькими десятками межатомных расстояний, что соответствует формированию рентгеноаморфного состояния закристаллизованного слоя.

Аморфизированное состояние, например, достигнуто в системах Fe - B - Si, Fe - Cr - B - C и некоторых других.

При лазерной обработке серого чугуна с плавлением поверхности в пленке расплава, возникающей под действием лазерного луча, происходит образование ледебурита с очень высокой твердостью и износостойкостью. Для легированных чугунов после лазерной закалки микротвердость зоны оплавления достигает 8000 - 13500 МПа.

Кроме стали и чугуна, лазерной обработке с оплавлением поверхности могут подвергаться сплавы цветных металлов, например сплавы эвтектического типа, которые при высокоскоростном оплавлении и быстрой последующей кристаллизации изменяют не только размеры зерен, но и морфологию строения образующихся структур.

В том случае, если перед лазерной обработкой на поверхность изделия нанести тонкий слой из легирующего материала, например, накаткой фольги, электролитическим или химическим осаждением, либо путем окраски тонким слоем порошкового материала, то при высокотемпературном лазерном нагреве, вызывающем оплавление, на поверхности развиваются микрометаллургические процессы взаимодействия нанесенного вещества с расплавом основы. В результате этих процессов получают легированный поверхностный слой, свойства которого принципиально отличаются от свойств основы.

 

Отпуск закаленной стали

 

Отпуск как операция термической обработки применяется для сплавов, закаленных на мартенсит, и выполняется непосредственно после закалки. В основе процессов отпуска, как и старения, лежат явления распада пересыщенных твердых растворов. Отпуск проводят путем нагрева закаленной стали до температур, не превышающих точки Ас₁, выдержки при этих температурах и последующего охлаждения. Конкретная температура отпуска определяется требованиями по твердости и механическим свойствам, предъявляемыми к изделию в соответствии с условиями его эксплуатации.

При отпуске происходит распад зафиксированных закалкой пересыщенных метастабильных твердых растворов: мартенсита и остаточного аустенита.

По температуре нагрева различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Существует и четвертый вид отпуска, получивший свое название от наименования процессов, определяющих его содержание - отпуск на дисперсионное твердение.

Низкий отпуск проводится при температурах 120 - 250 °С. Он применяется для деталей, от которых требуется максимально высокая твердость и износостойкость поверхности. В результате низкого отпуска достигается уменьшение уровня остаточных внутренних напряжений, возникших при закалке. Конечной структурой стали после низкотемпературного отпуска является отпущенный мартенсит и остаточный аустенит.

Средний отпуск (температура 300 - 500 °С) применяется для изделий, которые должны обладать при эксплуатации высокими пределами упругости, прочности, выносливости при достаточно высокой вязкости. Примерами таких изделий являются рессоры и пружины. Структура стали после среднего отпуска представляет собой троостит отпуска.

Высокий отпуск (температура для разных сталей от 450 до 690 °С) используется для изделий, испытывающих в процессе эксплуатации большие динамические нагрузки. Свойства стали после высокого отпуска характеризуются очень высокими значениями пластичности (относительного удлинения, сужения, ударной вязкости) при еще достаточно высоких значениях прочностных свойств. Такой вид отпуска улучшает комплекс механических свойств, в связи с чем вид термической обработки, включающий закалку с высоким отпуском называют улучшением. Структура стали, которая образуется после высокого отпуска, - сорбит отпуcка. Если при отпуске применяются предельно высокие температуры отпуска (650 - 690 °С), то в структуре может быть получен зернистый перлит, характеризующийся наиболее высокими значениями пластичности при минимальной прочности.

Отпуск на дисперсионное твердение может быть применен лишь к специальным легированным сталям, для которых развитие процессов распада, аналогичных наблюдаемым при старении, может приводить к упрочнению за счет выделения дисперсных когерентных карбидов легирующих элементов или интерметаллидов. Структура стали после такого отпуска определяется условиями фазового равновесия конкретной рассматриваемой системы, свойственной обрабатываемому составу сплава.