Превращения в стали при охлаждении. При медленном охла-

ждении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fе-Fе3C.Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях), а затем происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузионные процессы происходят в течение некоторого времени, причём скорость диффузии резко падает с понижением температуры. Обычно изучают изотермическое превращение аустенита (происходящее при выдержке при постоянной температуре) для эвтектоидной стали. Влияние температуры на скорость и характер превращения представляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита

(рис. 24).

Диаграмма строится в координатах температура – логарифм времени.

Рис. 24. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (схема)

Выше температуры 72 °С на диаграмме находится область устойчивого аустенита. Ниже этой температуры аустенит является неустойчивым и превращается в другие структуры. Первая С-образнаякривая на диаграмме соответствует началу превращения аустенита, а вторая – его завершению. При небольшом переохлаждении – приблизительно до 550 °С – происходит упомянутое выше диффузионное перлитное превращение.

Взависимости от степени переохлаждения образуются структуры, называемые перлит, сорбит и тростит. Это структуры одного типа – механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности, т.е. толщиной пластинок феррита и цементита. Наиболее крупнодисперсная структура – перлит, наиболее мелкодисперсная – тростит. При переохлаждении аустенита приблизительно ниже 240 °С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образуется мартенсит – пересыщенный твёрдый раствор углерода вα-железе.Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит.Из-завысокой пересыщенности углеродом решётка мартенсита сильно искажается, благодаря чему мартенсит имеет высокую твёрдость (до НRС 65). Горизонтальная

линия Мн диаграммы соответствует началу превращения аустенита в мартенсит, а линияМк – завершению этого процесса.

Вдиапазоне температур от мартенситного до перлитного превращения происходит промежуточное превращение и образуется структура, называемая бейнит.

Закалка – это вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определённой температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твёрдость и прочность, но снижается вязкость и пластичность. Нагрев стали про-

изводится на 30…50 °С выше линии GSK диаграммы Fе-Fе3С.В доэвтектоидных сталях нагрев выше линии GS необходим для того, чтобы после закалки в структуре не было мягких ферритных включений. Для заэвтектоидных сталей применяется нагрев выше линии SК, так как присутствие цементита не снижает твёрдость стали.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С-образныекривые диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 19). Для достижения высокой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легированных сталей).

41

Способность стали закаливаться на мартенсит называется закаливаемостью. Она характеризуется значением твёрдости, приобретаемой сталью после закалки, и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр Dкр, т.е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе.

Отпуск стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры (ниже линии РSК), выдержке и охлаждении. Цель отпуска – получение более равновесной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150…200 °С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твёрдости. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой твёрдостью и износостойкостью.

При среднем отпуске производится нагрев до 350…450 °С. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой тростит отпуска, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводится при 550…650 °С. В результате твёрдость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали – сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей.

Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлаждения с целью получения высокой твёрдости и прочности в поверхностном

42

слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различные способы нагрева поверхности под закалку – в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучением, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь помещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц…10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагревающие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с увеличением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжительности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закалённого слоя, находящуюся в пределах 1…10 мм.

Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закалённого слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, отсутствие окалинообразования. Недостаток – высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийному и массовому производству.

Перспективный метод поверхностной закалки стальных деталей сложной формы – лазерная обработка. Благодаря высокой плотности энергии в луче лазера возможен быстрый нагрев очень тонкого слоя металла. Последующий быстрый отвод тепла в объём металла приводит к закалке поверхностного слоя с приданием ему высокой твёрдости и износостойкости.

Химико-термическаяобработка– это процесс изменения хи-

мического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счёт насыщения её различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твёрдости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термическойобработки относятся цементация, азотирование, цианирование и др.

Цементация – это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путём нагрева стальных деталей при 880…950 °С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цементации –

43

газовую и твёрдую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН4 и оксид углерода СО. Твёрдая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей Na2СО3 или ВаСО3.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,1…0,3 %). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0…1,2 %. Толщина цементованного слоя составляет

1…2,5 мм.

Цементацией достигается только выгодное распределение углерода по сечению детали. Высокая твёрдость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Затем следует низкий отпуск. После этого твёрдость поверхности составляет HRC 60.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. При этом повышаются не только твёрдость и износостойкость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500…600 °С в среде аммиака NН3 в течение длительного времени (до 60 ч). Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом.

Твёрдость стали повышается за счёт образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твёрдость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотированного слоя составляет 0,3…0,6 мм, твёрдость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до НV 1200 (при цементации НV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твёрдость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.

Цианирование (нитроцементация) – это процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой среде, содержащей смесь метана СН4 и аммиака NH3. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500…600 °С. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2…0,5 мм, твёрдость поверхности –

44

НV 1000. При высокотемпературном цианировании температура составляет 800…950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного слоя составляет 0,6…2,0 мм. После высокотемпературного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твёрдость после термообработки составляет HRC 60.