Закалка без полиморфного превращения

 

      Если содержание легирующего элемента превышает предел растворимости и сплав нельзя перевести в однофазное состояние, например С₃ на( рис. 6), то температуру нагрева под закалку выбирают возможно ближе к эвтектической (перитектической) температуре с учетом технических возможностей избежать пережога.

      В зависимости  от системы легирования, содержания  легирующих элементов, от того, насколько сильно на свойства  сплава влияет неполнота растворения  избыточных фаз, интервал закалочных  температур составляет градусы  и десятки градусов (редко более  100 °С). Например, у дуралюминов разных  марок интервал закалочных температур  колеблется от 5 до 15° С. У сплава  Д1 его пределы 495—510 °С, у сплава Д16 495—505° С и у высокомагниевого дуралюмина Д19П 503—508° С. У дуралюминов верхняя граница интервала закалочных температур может отличаться от точки солидуса всего на несколько градусов. Поддержание температуры нагрева под закалку в очень узком интервале возможно только в селитряных ваннах н печах с принудительной циркуляцией воздуха.

        Противоположный  пример — деформируемые и литейные  алюминиевые сплавы на базе  системы А1—Zn—Mg, у которых возможный интервал закалочных температур на порядок больше, чем у дуралюминов , и составляет около 150° С. Сплавы этой системы можно закаливать с температур 350—500° С Ясно, что такие сплавы несравненно проще нагревать под закалку, не опасаясь пережога или недогрева.

      Если возможный  интервал закалочных температур  достаточно широк, то температуру  нагрева внутри него выбирают  более высокой, чтобы сократить продолжительность растворения избыточных фаз. Однако предельную температуру закалки может лимитировать не солидус, а рост зерна в деформированной сплаве. Кроме того, в некоторых полуфабрикатах требуется сохранить после обработки давлением перекристаллизованную структуру, и поэтому температура нагрева под закалку не должна превышать температуру начала рекристаллизации. Время выдержки при температуре нагрева под закалку выбирают так, чтобы завершились процессы растворения избыточных фаз. Чем дисперснее избыточные фазы, тем быстрее они растворяются.

 

Рис.8. Микроструктура дюралюминия после:

а) закалки в воде с  температуры Т2;

б) закалки и искусственного старения при Т3 (справа – схематическое  изображение) [7]

Деформированные полуфабрикаты  часто (но не всегда) выдерживают при  температуре закалки меньше, чем  отливки, так как в них при  гомогенизационном отжиге слитков растворялись грубые частицы избыточных фаз, а обработка давлением измельчила структуру. Например, листы из алюминиевых сплавов выдерживают при температуре нагрева под закалку 10—40 мин, а фасонные отливки 2—6 ч (иногда — более 10 ч).

     Время растворения  избыточных фаз при нагреве  под закалку литейных сплавов  связано с толщиной их частиц  соотношением . Детали, отлитые в земляную форму, следует дольше нагревать под закалку, чем детали, отлитые в кокиль, из-за более грубой литой структуры. Чем толще сечение отливки и соответственно меньше скорость охлаждения при литье, тем толще частицы избыточных фазы больше должно быть время нагрева под закалку. Поэтому при закалке отливок время выдержки колеблется от десятков минут до 10—20 ч.  [5, c. 174-176]

 

5. Охлаждение при закалке без полиморфного превращения

 

       С понятием «закалка» обычно ассоциируется представление о быстром охлаждении. Действительно, многие изделия закаливают в воде. Однако при закалке необязательно быстрое охлаждение.

      Важно лишь, чтобы при охлаждении не успел  произойти распад матричного  раствора. В зависимости от скорости  этого распада скорость охлаждения  при закалке может быть различной.  Для одних сплавов обязательна закалка в холодной воде, а другие, в которых раствор распадается медленно, можно закаливать с охлаждением на воздухе. Существует много промышленных сплавов на основе железа, никеля, алюминия и магния, закаливаемых на воздухе. [5, c. 177]

 

             

                                         а                                                                б

в

Рис.9 Микроструктура сплава Аl-0,9%,Mg-0,6%, Si, а — медленное охлаждение при закалке и    старение    при    177°С,   5 ч;     грубые частицы (-фазы, образовавшиеся в процессе охлаждения,    мелкие    выделения -фазы,   возникшие   при     старении,     и зона,   свободная   от   выделений   вокруг частиц  β -фазы,   х8000;   б — закалка     в воде и старение при 177°С, 5 ч; присутствует  только β -фаза,   х40000  ,  в — закалка   в  воде  и  старение при 302°С.  1 ч, крупные квадратные пластинки    β -фазы,     х25000   [8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Нагрев при закалке.

 

      Закалка заключается в нагреве стали на 30—50 °С выше A_с3 для доэвтектоидных сталей или на 30—50 °С выше A_с1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической (рис. 1). Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных — в масле или других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.

      Инструментальную сталь подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь — для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности, вязкости (параметров вязкости разрушения), а дли ряда деталей также и получения высокой износостойкости.

 

Рис.10 Схема закалки легированной стали (а) и термокинетическая диаграмма (б), на которой указана скорость охлаждения при закалке.

 

        Доэвтектойдные стали нагревают до температуры на 30—50 "С выше точки А_с3(рис. 2). В этом случае сталь с исходной структурой перлит + феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит.

        Закалку доэвтектоидных конструкционных сталей от температур, соответствующих межкритическому интервалу (Ac₁—Ac₃), до недавнего времени не применяли. Вообще говоря, при всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита н сохранившегося при нагреве феррита, твердость и другие механические свойства стали оказываются более низкими по сравнению с закалкой от температур выше Ас₃. Однако в последнее время установлено, что при нагреве в межкритическом интервале происходит: рафинирование феррита по примесям (они уходят в аустенит), что делает феррит пластичным; получение двухфазной структуры низкоуглеродистой стали после закалки из межкритического интервала , состоящей из рафинированного феррита и островков мартенсита в тройных стыках зерен, что предопределяет низкие значения предела текучести при высоких значениях временного сопротивления. Низкое отношение о_т,/о_в выгодно для глубокой штамповки листовых малоуглеродистых сталей, что предопределило использование двухфазных сталей после закалки из межкритического интервала в автомобильной промышленности .

 

                       а                                            б                                   в         

Рис.11  Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

А-диаграмма состояния  Fe-Fe3C с указанием температур закалки доэвтектойдной и заэвтектойдной стали ; б-зависимость твердости стали после закалки от содержания углерода [1-сталь со структурой мартенсита, 2- заэвтектойдная сталь, закаленная с температуры А₁ +(20-30°С); 3-заэвтектойдная сталь, закаленная в воде с температуры А_ст +(20-30°С]; в-зависимость количества остаточного аустенита от содержания в стали углерода.

 

         Заэвтектойдные стали под закалку нагревают несколько выше Ac_t. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита. В итоге после охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворенных частиц карбидов, обладающих высокой твердостью, и закаленная сталь характеризуется высокой твердостью (рис. 11, б). Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ac₁ связано с пересыщением аустенита углеродом, большим количеством остаточного аустенита, со снижением прочности. Поэтому интервал температур закалки большинства сталей невелик (15— 20°С). Для многих легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки, что определяется малой скоростью и степенью растворения специальных карбидов в аустените для получения нужной степени его легированности. Это повышение температуры во многих случаях не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

      Условия аустенитизации и соответственно состояние аустенита оказывают большое влияние на кинетику фазовых превращений, при последующем охлаждении и конечные свойства образующихся при этом структур стали. Пониженная температура аустенитизации или недостаточная выдержка при этой температуре стали, легированной карбидообразующими элементами, приводит к образованию малоуглеродистого и низколегированного и поэтому малоустойчивого при охлаждении аустенита. Кроме того, ускоренному распаду аустенита при охлаждении способствуют нерастворенные карбиды, оказывающие зародышевое влияние, повышается критическая скорость закалки и уменьшается прокаливаемость стали.      Вследствие указанных изменений повышаются температуры мартенситных точек М_н и М_п и снижается твердость мартенсита — уменьшается закаливаемость стали из-за того, что значительное количество углерода находится не в аустените, а в не растворившихся карбидах. В инструментальных (быстрорежущих) сталях после такой аустенитизации ухудшается теплостойкость (красностойкость) инструмента, а в конструкционных сталях образующийся после такой закалки и высокого отпуска низколегированный или неоднородно легированный феррит в сочетании с укрупненными частицами карбидов определяет понижение механических свойств. Повышение температуры нагрева под закалку (или увеличение длительности нагрева) приводит к растворению карбидов, укрупнению зерна и гомогенизации аустенита. Это способствует повышению устойчивости переохлажденного аустенита, особенно в районе температур перлитного превращения, и уменьшению критической скорости закалки и увеличению прокаливаемости стали. Однако чрезмерное повышение температуры нагрева для закалки увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 11 в), что снижает твердость стали (рис. 11, б), приводит к сильному росту зерна и увеличению деформации обрабатываемых изделий.

• Продолжительность нагрева при аустенизации стали.

       Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживание поверхностных слоев стали. Общая продолжительность нагрева г_общ=г_с.п+г_н.в, где г_с.п —продолжительность сквозного прогрева до заданной (конечной) температуры, обусловлена формой и размером изделий, их расположением, типом печи, составом и свойствами стали, г_н.в— продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, которая не зависит от формы и размера изделия н определяется только составом и исходным состоянием стадии. Величина –г_н.в. должна быть минимальной, но должна обеспечить завершение фазовых превращений в стали и получение необходимой концентрации углерода и легирующих элементов в аустените. Продолжительность изотермической выдержки при заданной «температуре для деталей машин часто принимают равной 15 —25 %  от продолжительности сквозного нагрева. [2, c. 199-202]

 

7.Охлаждение при закалке.

 

       Режим  охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

      Закалочные  напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

      Мартенситное  превращение связано с увеличением  объема на несколько процентов.  Поверхностные слои раньше достигают  мартенситной точки, чем сердцевина  изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходят в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры  нагрева под закалку и с  повышением скорости охлаждения, так  как в обоих этих случаях возрастает перепад температур по сечению изделия. Увеличение перепада температур приводит к росту термических и структурных напряжений. Для сталей наиболее вероятно возникновение закалочных трещин в интервале температур ниже мартенситной точки, когда появляются структурные напряжения и образуется хрупкая фаза — мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен. Как показывает С-диаграмма, быстрое охлаждение необходимо в районе наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита. Для большинства сталей этот район находится в интервале 650—400° С. Выше н ниже этого интервала температур аустенит гораздо более устойчив против распада, чем около изгиба С-кривой, и изделие можно охлаждать относительно медленно. Медленное охлаждение особенно важно проводить, начиная с температур 300—-200° С, ниже которых в большинстве сталей образуется мартенсит. При замедленном охлаждении выше изгиба С-кривой уменьшаются только термические напряжения, а в мартенситном интервале снижаются и термические, и структурные напряжения. В качестве закалочных сред наиболее широко используют холодную воду, 10%-ный водный раствор NaOH или NaCI и масла. Пока не найдено такой закалочной жидкости, -которая быстро охлаждала бы в перлитном интервале температур и медленно — в мартенситном. Холодная вода — самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Она быстро охлаждает н в перлитном, и в мартенситном интервалах температур. Добавки соли или щелочи увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале. Главный недостаток воды — большая скорость охлаждения в мартенситном интервале. Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью. Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.  [5, c. 241-242]