Влияние легирования на прокаливаемость стали

Улучшаемые легированные стали

Улучшение (термическое улучшение) – это двойная термическая обработка, включающая в себя закалку с последующим высоким отпуском. Позволяет существенно улучшить общий комплекс механических свойств и является основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Закалка – это термическая обработка, которая включает нагрев стали/сплава до температур выше фазовых превращений (для доэвтектоидных выше точки А_С3; для заэвтектоидных выше точки А_С1), выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью, превышающей критическую. В результате быстрого охлаждения при закалке фиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур.

Закалка является упрочняющей термической обработкой.

Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленной стали/сплава ниже температур фазовых превращений, выдержке и охлаждения на воздухе. Цель отпуска – получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности, создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали.

Различают три вида отпуска:

- низкий отпуск проводят при температурах 150 – 250 ^оС. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших частиц карбидов. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода остается в мартенсите. Цель низкого отпуска - снижение внутренних напряжений, уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости детали или изделия. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450 ^оС. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито – цементитную смесьс очень мелкими, в виде игл , частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 – 680 ^оС. Цель высокого отпуска – достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом троостита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей применяют легированные стали, подвергаемые закалке с отпуском. В зависимости от требуемого уровня свойств выбирают температуру отпуска. Низкий отпуск (t = 200 – 250 ^оС) обеспечивает высокие прочностные характеристики и низкие значения пластичности и вязкости. Однако наиболее часто в машиностроении применяют операцию улучшения, сочетающую в себе закалку и высокий отпуск при 550 – 680 ^оС. Такая термическая обработка обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой склонностью к хрупким разрушениям. Легирующие элементы, влияя на процессы, происходящие при закалке и отпуске, будут существенно влиять и на механические свойства улучшаемой стали.

Легирующие элементы определяют размер зерна аустенита, его устойчивость при переохлаждении, структуру мартенсита, свойства феррита и карбидной фазы, а также другие факторы. Таким образом, осуществляется и их влияние на механические свойства стали.

В улучшаемых конструкционных сталях легирующие элементы прежде всего должны обеспечить необходимую прокаливаемость и требуемые механические свойства после отпуска.

Влияние легирования на прокаливаемость стали

Прокаливаемость стали определяется устойчивостью переохлажденного аустенита, сечением изделия и скоростью охлаждения. При достижении в определенном сечении изделия скорости охлаждения больше критической после закалки получается структура мартенсита. При меньших скоростях охлаждения наряду с мартенситом могут получаться структуры бейнита (верхнего и нижнего), а также продукты перлитного превращения. Кроме того, наряду с мартенситом после закалки может присутствовать и остаточный аустенит.

Наиболее часто прокаливаемость стали определяют методом торцовой закалки, строя кривые прокаливаемости. Поскольку отдельные плавки каждой стали имеют несколько различающиеся значения прокаливаемости (сказывается влияние колебаний химического состава, размера зерна и др. металлургических факторов) сталь каждой марки характеризуется в целом не одной кривой, а полосой прокаливаемости. По полосе прокаливаемости определенной стали можно установить значения критической скорости охлаждения при закалке и критические диаметры (диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в данной охлаждающей среде).

Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают прокаливаемость стали. Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали, так же как и на устойчивость переохлажденного аустенита не может быть просуммировано, а эффективность действия какого – либо элемента зависит от комбинации и количества легирующих элементов в каждой стали. Наилучшая прокаливаемость стали достигается при комплексном легировании.

Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti) могут оказывать двоякое влияние на прокаливаемость. Они увеличивают прокаливаемость, если растворены в аустените, и уменьшают ее, если связаны в карбиды или карбонитриды. Обычно в конструкционные улучшаемые стали эти элементы вводят в небольших количествах (~0,1%) с целью обеспечения мелкозернистой структуры, поэтому их влияние на прокаливаемость относительно невелико.

Особо сильное влияние на увеличение прокаливаемости конструкционных сталей с содержанием 0,2 – 0,4 %С оказывает ок. 0,003 % В. Ему эквивалентны ~ 1% Ni, 0,5 % Mn, 0,2 % Mo. При содержании более 0,003% В прокаливаемость не увеличивается, наступает горячеломкость стали. При содержании мене 0,001% В его влияние на прокаливаемость незаметно. Перед введением бора сталь хорошо раскисляют алюминием и связывают азот в нитриды введением титана.

Механизм влияния малых добавок бора на прокаливаемость заключается в том, что бор как поверхностно – активный элемент, концентрируясь на границах зерен аустенита, препятствует зарождению здесь феррита при g a - превращении.