Скорость охлаждения легированных сталей
Обновлено: 28.04.2024
В начале темы 2.3 отмечалось, что существенным недостатком углероди-стых сталей является их пониженная прокаливаемость. Напомним, прокали-ваемость – это способность стали приобретать мартенситную структуру на определенную глубину при закалке в данном охладителе.
Величину прокаливаемости обычно оценивают критическим диа-метром (Dкр) – максимальным диаметром образца, приобретающим мартен-ситную структуру по всему сечению при закалке в данном охладителе.
Поскольку основное требование закалки на мартенсит (см. раздел 2.2.1) Vохл ³ Vкр , то прокаливаемость зависит от соотношения скорости охлажде-ния Vохл и критической скорости закалки Vкр, величина которой определя-ется химическим составом стали.
Очевидно, что скорость охлаждения образца (изделия) уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 2.3.4).
Рис. 2.3.4. Распределение скорости охлаждения (Vохл)по се-чению образца при закалке (заштрихована закаленная зона с мартенситной структурой)
женные механические свойства (о чем говорилось в конце темы 2.2.2). Напри-мер, ударная вязкость улучшенной (закалка + высокий отпуск) стали 45 с диа-метром образца 10 мм (сквозная закалка) составляет KCU = 1 МДж/м2, а при Æ = 100 мм (несквозная прокаливаемость) KCU = 0,5 МДж/м2.
Поэтому для ответственных изделий должны применяться стали со
Из рис. 2.3.4 очевидно, что основной путь повышения прокаливаемо-сти – это уменьшение Vкр. В предыдущем разделе (2.3.1.2) говорилось о том, что легирование приводит к смещению линий С- диаграммы вправо (см. рис. 2.3.3), а это означает уменьшение Vкр (напомним, что величина Vкр определяет-ся наклоном касательной к кривой начала распада аустенита на феррито-карбидные смеси, см. стр. 84 ).
Как отмечалось выше, все легирующие элементы (кроме Со) замедляют скорость распада переохлажденного аустенита и соответственно уменьша-ют Vкр, причем тем сильнее, чем больше их количество в стали. Поэтому, чем больше диаметр изделия, тем более легированную сталь нужно применять для получения сквозной прокаливаемости.
Помимо повышения прокаливаемости легирование играет и еще одну важную положительную роль, так как., снижая Vкр, позволяет производить бо-лее «мягкую» закалку по сравнению с углеродистыми (нелегированными )
сталями. Если для получения мартенсита в углеродистых сталях их необходимо охлаждать очень быстро в воде (Vохл » 600 оС/с), то в легированных тот же ре-зультат может быть достигнут при более медленном охлаждении в масле (Vохл»150 оС/с) или даже (для некоторых высоколегированных, например, бы-строрежущих сталей) на воздухе (V охл. » 3…30 оС/с).
Существенное снижение Vохл. при закалке легированных сталей уменьша-
ет опасность возникновения закалочных трещин и коробления изделий.
Справедливости ради остановимся на примере отрицательного влияния легирования, усложняющего технологию термической обработки изделий.
Выше (раздел 2.3.1.2) отмечалось, что подобно углероду все легирующие
элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (Мн) и конца (Мк) мар-тенситного превращения.
Если в стали данного химического состава температура Мк опускается ниже комнатной, то при закалке (закалочная среда при t = 20 оС) часть аустени-
та сохраняется, не превращаясь в мартенсит, - это «остаточный аустенит». Согласно рис. 2.3.2 он появляется в структуре закаленных углеродистых
сталей, содержащих і 0,5 %С и его количество возрастает с увеличением со-держания углерода (пропорционально заштрихованному на рис. 2.3.2 интервалу ∆t = 20 оС – Мк).
Поскольку легирующие элементы дополнительно снижают Мн и Мк (осо-бенно эффективно Mn, Cr, Ni) то в закаленных легированных сталях сохраняет-ся много остаточного аустенита.
Остаточный аустенит ухудшает механические и эксплуатационные свой-ства изделий, поэтому для его устранения применяют «обработку холодом» -охлаждение изделий сразу после закалки до температур, возможно близких к
Мк. Для этого используют, например, жидкий аммиак (-33 оС), жидкий азот (- 196оС) и другие охлаждающие среды.1
Обработку холодом используют главным образом для деталей типа шес-терен, режущих и измерительных инструментов, изготавливаемых из высоколе-гированных сталей.
Заметим, что в некоторых случаях остаточный аустенит играет положи-тельную роль, уменьшая деформацию изделий при закалке (например, длинно-мерного режущего и измерительного инструмента).
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Охлаждение легированных сталей осуществляют также медленно, поскольку распад аустенита затруднен. Ni, Cr, Мп, Мо и др. способствуют сокращению критической скорости закалки, а Со, Si и А1 - ее увеличению. [2]
Охлаждение легированных сталей после прокатки тоже ведут медленно во избежание появления трещин. Вес слитков специальных высоколегированных сталей меньше обычных углеродистых. Для нагрева слитков и заготовок легированных сталей необходимо больше времени, чем для углеродистых. [3]
Охлаждение легированных сталей осуществляют также медленно, поскольку распад аустенита затруднен. Сг, Мп, Мо и др. способствуют сокращению критической скорости закалки, а Со, Si и А1 - ее увеличению. [4]
Поэтому охлаждение легированных сталей , склонных к отпускной хрупкости после высокого отпуска, следует производить не на воздухе, а в масле или в воде. [5]
Скорость охлаждения легированных сталей зависит от требуемых механических свойств, но всегда значительно меньше, чем скорость охлаждения углеродистых сталей. [6]
Скорость охлаждения легированной стали при термической обработке, по сравнению с углеродистой, как правило, всегда меньше, так как почти все легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита и тем самым способствуют получению неравновесных структур. [7]
При охлаждении легированных сталей распад аустенита может сопровождаться образованием мартенситной фазы. [8]
Особенностью термокинетических кривых нагревов и охлаждений легированных сталей перлитного класса в сравнении с обычными углеродистыми сталями является то, что изотермы или температурные площадки, соответствующие критическим температурам, более продолжительны - распад аустенита замедлен. Структурные изменения при ТЦО легированных сталей происходят медленнее, поэтому максимальную температуру при нагревах следует увеличивать от 30 - 50 до 50 - 70 С выше точки Ас. Влияние легирующих элементов на число циклов при ТЦО таково, что при увеличении содержания легирующих элементов в стали увеличивается и необходимое число циклов. На рис. 3.11 приведена зависимость оптимального числа п t циклов стали с содержанием углерода 0 4 % от содержания С легирующих элементов. [10]
Его твердость составляет НВ 600 - т - 700 ( HRC 62 ч - 66), а пластические свойства при растяжении ( б и ф) и ударная вязкость а близки к нулю. При охлаждении легированных сталей рассмотренные структуры могут получиться при иных скоростях охлаждения. Почти во всех легированных сталях при охлаждении в масле получается структура мартенсита. В некоторых легированных сталях даже при охлаждении на воздухе получается мартенсит. [11]
Холодная вода обладает хорошей охлаждающей способностью, ее применяют для охлаждения углеродистых сталей. Охлаждающая способность трансформаторного масла в 5 - 6 раз меньше холодной воды; масло применяют для охлаждения легированных сталей . [12]
Повышение легирующими элементами устойчивости переохлаж денного аустенита в области первой ступени замедляет его распад при проведении полного отжига, требуя применения невысоких скоростей охлаждения. При отжиге легированных сталей приходится при бегать к скоростям охлаждения 50 - 100 в час, а высоколегированные стали ( типа хромоникелевых и хромоникелемолибденовых) необходимо охлаждать со скоростью 20 - 30 в час. При больших скоростях охлаждения легированных сталей не успевает полностью тфойти распад аустенита в перлит и при дальнейшем переохлаждении возможно превращение оставшейся части аустенита в игольчатый троостит ( во второй ступени) или мартенсит ( в третьей ступени) с резким повышением твердости и ухудшением обрабатываемости стали резанием. Медленное охлаждение при отжиге следует нести только в области первой ступени распада переохлажденного аустенита. Скорость дальнейшего охлаждения практически не влияет на понижение твердости, но для - яда сталей дальнейшее медленное охлаждение до температур 450 - 400 несколько улучшает их обрабатываемость. В больших гтечах ( с загрузкой 15 - 30 т) для полного отжига легированных сталей бывает достаточно охлаждения в закрытой печи при прекращении тяги и выключении подачи топлива, что обеспечивает скорость охлаждения 50 - 100 / час. [13]
Охлаждают сталь обычно в воде или масле. В качестве охлаждающей среды иногда применяют растворы солей, мыла в воде, эмульсию масла в воде, расплавленный свинец и др. Холодная вода обладает хорошей охлаждающей способностью, ее применяют для охлаждения углеродистых сталей. Охлаждающая способность трансформаторного масла в 5 - 6 раз меньше холодной воды; масло применяют для охлаждения легированных сталей . [14]
Охлаждают сталь обычно в воде или в масле. В качестве охлаждающей среды иногда применяют растворы солей, мыла в воде, эмульсию масла в воде, расплавленный свинец и др. Холодная вода обладает хорошей охлаждающей способностью, ее применяют для охлаждения углеродистых сталей. Охлаждающая способность трансформаторного масла в 5 - 6 раз меньше холодной воды; масло применяют для охлаждения легированных сталей . [15]
Закалка легированных сталей протекает при меньших скоростях охлаждения вследствие снижения критических скоростей охлаждения. Решающим для первого вида термообработки является скорость охлаждения аустеппта, для второго - регулирование температуры и времени отпуска. Первый вид термообработки применяется для упрочнения углеродистых конструкционных сталей ( Ст. В зависимости от скорости охлаждения после закалки образуется дисперсная феррнто-карбидпая смесь, а при весьма больших скоростях охлаждения ( более 1000 в 1 сек. [1]
Закалка легированных сталей отличается рядом особенностей. [2]
При закалке легированных сталей применяют способы охлаждения в металлических штампах и водо-воздушных смесях, получаемых в специальных форсунках. [4]
При закалке легированной стали в ней остается больше остаточного аустенита, чем в углеродистой. При отпуске легирующие элементы оказывают существенное влияние на превращения, что часто делает необходимым проводить отпуск при более высоких температурах. [5]
В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске. [6]
Критическая скорость закалки легированных сталей тем меньше, чем больше в них содержится легирующих элементов, чем выше, как говорят, степень их легированности. Следовательно, чем выше степень легированности, тем более глубокой прокаливаемо-стью обладают эти стали. [7]
В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. [8]
Критическая скорость закалки легированной стали также зависит от того, растворен ли легирующий элемент в аустените или находится в виде карбидов. Критическая скорость закалки понижается только в том случае, если легирующий элемент растворен в аустените. При наличии карбидов, наоборот, критическая скорость закалки повышается. Так влияют все легирующие элементы, за исключением кобальта. Кобальт является единственным элементом, повышающим критическую скорость закалки. [9]
Следующая особенность закалки легированных сталей заключается в сохранении при комнатных температурах некоторого коли чества остаточного аустенита. Количество остаточного аустенитя возрастает с повышением содержания углерода, увеличением степе ни легированности аустенита и замедлением скорости охлаждения з мартенситном интервале. Остаточный аустенит, распадаясь во вре мя нагрева при отпуске, может вызвать или усилить явление низко температурной хрупкости. При низком отпуске сохранение остаточ ного аустенита повышает вязкость, но снижает твердость. [10]
Температура нагрева под закалку легированных сталей обычно выше, чем углеродистых. Диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленнее, так как углерод образует твердые растворы внедрения, а легирующие элементы - замещения. Нагрев под закалку до более высокой температуры сопровождается более длительной выдержкой при этой температуре. Это способствует диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените. [11]
В качестве охлаждающей среды при закалке легированных сталей применяют масло или расплав солей. При изготовлении деталей из стали 7ХГ2ВМ закалка, как правило, осуществляется на воздухе. [12]
Чтобы уменьшить скорость охлаждения при закалке легированных сталей и снизить напряжение, эти стали подвергают медленному охлаждению в масле или струе воздуха. [14]
Всем термистам хорошо известно, что для закалки легированных сталей требуется меньшая скорость охлаждения, чем для закалки углеродистых. Большая часть легированных сталей закаливается в масле, а некоторые стали принимают закалку даже при охлаждении на воздухе. Это является большим преимуществом легированных сталей. [15]
Охлаждение углеродистых сталей до 500 - 600 С ведется со скоростью 50 - 100 С в час ( в зависимости от содержания углерода), а легированных - со скоростью 20 - 60 С в час. Медленное охлаждение достигается путем упаковки заготовок в ящики с теплоизолирующим материалом, а также периодическим выключением и включением печи. [1]
Охлаждение углеродистых сталей производится в воде, а легированных сталей - в воде или в масле. [3]
Охлаждение углеродистых сталей до 500 - 600 ведется со скоростью 50 - 100 в час ( в зависимости от содержания углерода), а легированных - со скоростью 20 - 60 в час. Медленное охлаждение достигается путем упаковки заготовок в ящик с теплоизолирующим материалом, а также периодического выключения и включения печи. [4]
При охлаждении углеродистой стали в верхнем интервале температур из аустенита образуется перлит. Перлитное превращение после некоторого инкубационного периода вначале развивается медленно, а после длительной выдержки протекает с большой скоростью. С увеличением степени переохлаждения продолжительность инкубационного периода вначале уменьшается до минимума, а затем возрастает. При небольшом переохлаждении ниже точки Аг аустенит может распадаться на феррит и графит. [6]
Образование мартенсита при охлаждении углеродистых сталей возможно лишь в тонких сечениях. Однако добавка таких элементов, как марганец, никель и хром, которые растворяются в аустените, уменьшает содержание углерода в эвтектоиде и замедляет скорость превращения при охлаждении, так что и в массивных изделиях можно получить структуру бейнита или мартенсита. [7]
В этом промежутке температур охлаждение углеродистой стали должно быть очень быстрым, иначе аустенит успеет превратиться в перлит или сорбит. Если же деталь будет быстро охлаждена до 300 - 400, то получение мартенситной структуры будет обеспечено, и дальнейшее охлаждение при более низких температурах может производиться со значительно меньшей скоростью. Этого и достигают, когда охлаждают деталь сначала в воде, а затем быстро переносят ее из воды в масло для окончательного охлаждения. Самое трудное в этом способе закалки - это точно выдержать время пребывания детали в воде. Обычно пребывание мелких деталей в воде должно продолжаться всего несколько секунд, а сколько именно - это надо решать в отношении каждой детали отдельно. На практике обычно момент переноса детали из воды в масло определяют по прекращению дрожания щипцов, которыми держат деталь, и по прекращению слабо слышного звенящего шума, который получается в результате сильного кипения воды вокруг детали. [8]
Для получения высокой твердости и меньшей деформации условия охлаждения углеродистых сталей выбирают в зависимости от сечения инструмента. [9]
Холодная вода обладает хорошей охлаждающей способностью, ее применяют для охлаждения углеродистых сталей . Охлаждающая способность трансформаторного масла в 5 - 6 раз меньше холодной воды; масло применяют для охлаждения легированных сталей. [10]
Наглядное представление о кристаллизации и структурных превращениях при нагреве и охлаждении углеродистых сталей дает графическое изображение - диаграмма состояния сплавов железо - углерод. По ней определяют температуру плавления и застывания стали с различным содержанием углерода, изменение структуры. Диаграмма состояния помогает устанавливать правильные режимы ковки, штамповки, прокатки углеродистых сталей и их последующей термической обработки. [11]
Скорость охлаждения легированных сталей зависит от требуемых механических свойств, но всегда значительно меньше, чем скорость охлаждения углеродистых сталей . [12]
Закалка - самый распространенный вид термической обработки, состоящий в нагреве детали до высокой температуры ( выше 750 С), выдержке и быстром охлаждении в воде, масле или каком-либо другом веществе ( водные растворы щелочей, солей, раствор соды и др.) - Воду применяют для охлаждения углеродистых сталей , а масло - для легированных сталей, которые требуют небольшой скорости охлаждения из-за возможного образования трещин. [13]
Ящики с изделиями остаются в печи и медленно остывают вместе с ней. Скорость охлаждения углеродистой стали с содержанием углерода 0 2 - 1 2 % колеблется от 50 до 15 в час. [14]
Охлаждают сталь обычно в воде или масле. В качестве охлаждающей среды иногда применяют растворы солей, мыла в воде, эмульсию масла в воде, расплавленный свинец и др. Холодная вода обладает хорошей охлаждающей способностью, ее применяют для охлаждения углеродистых сталей . Охлаждающая способность трансформаторного масла в 5 - 6 раз меньше холодной воды; масло применяют для охлаждения легированных сталей. [15]
Структурные превращения в стали при нагреве и медленном охлаждении
На рис. 51 изображены в виде схемы структурные превращения, которые происходят при нагреве и медленном охлаждении в стали с содержанием углерода, равным 0,8%. (сталь У8).
Следует обратить внимание на то, что образующийся при нагреве аустенит получается более мелкозернистым, чем исходное перлитное зерно. Размер получающихся зерен аустенита будет определяться размером пластинок перлита.
При охлаждении размер получающихся зерен перлита будет определяться размером зерен аустенита. Из мелкого аустенитного зерна получится мелкое перлитное зерно, что достаточно хорошо видно из рассматриваемого рисунка.
Таким образом, вызывая перекристаллизацию перлита в аустенит, можно размельчить структуру стали, чем на практике часто пользуются.
Из этой же схемы видно, что при нагреве аустенитное зерно растет. Чем выше температура, тем крупнее зерно аустенита.
Если хотят получить мелкое зерно в стали при комнатной температуре (мелкозернистая структура имеет более высокое значение ударной вязкости, твердости и прочности), необходимо иметь мелкое аустенитное зерно перед охлаждением.
До сего времени мы разбирали структурные превращения при медленном охлаждении. Практически такое охлаждение можно осуществить охлаждением детали вместе с печью либо в горячей золе, песке и т.д. В результате такого охлаждения сталь получается довольно мягкой, пластичной и хорошо обрабатывается резанием, но обладает сравнительно невысокой прочностью.
Прочность и твердость стали можно повысить за счет увеличения скорости охлаждения после нагрева до аустенитной структуры. Это вызывается тем, что в стали образуются другие, отличные от перлита, структуры, которые и повышают твердость и прочность стали.
На рис. 52 показана схема превращения аустенита в стали У8 при охлаждении с различными скоростями. Так, при охлаждении вместе с печью, как и было отмечено на рис. 51, аустенит превращается в пластинчатый перлит. Причем это превращение проходит почти три постоянной температуре (723°).
При охлаждении на воздухе аустенит превращается в структуру, которая носит название сорбит, при охлаждении в горячем масле — в троостит (названия даны в честь ученых Сорби и Трооста).
Образование сорбита начинается при температуре 600° и заканчивается при температуре 500°.
Троостит образуется при еще более низких температурах — 500—200°.
По своему строению перлит, сорбит и троостит очень сходны.
Все они являются механическими смесями феррита и цементита. Разница лишь в размерах пластинок феррита и цементита. В троостите они самые тонкие, в перлите самые крупные, что видно из рис. 52.
Мартенсит
При охлаждении в воде аустенит сохраняется в стали до температуры примерно 200° и затем мгновенно превращается в структуру, которую называютмартенситом. (Название дано в честь ученого Мартенса).
В сталях с большим содержанием углерода аустенит не полностью превращается в мартенсит. Часть его сохраняется. Такой аустенит называют остаточным аустенитом.
Структура мартенсита отлична и по строению и по свойствам от сорбита и троостита.
Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
Сталь, имеющая структуру мартенсита, обладает высокой твердостью, прочностью, электросопротивлением, но она хрупка.
Скорости охлаждения и получаемые при этом структуры, которые рассмотрены на примере стали У8, характеризуют только углеродистые стали.
При охлаждении легированных сталей рассмотренные структуры могут получиться при иных скоростях охлаждения.
Почти во всех легированных сталях при охлаждении в масле получается структура мартенсита. В некоторых легированных сталях, даже при охлаждении на воздухе, получается мартенсит.
В связи с этим при изучении термической обработки следует ознакомиться с терминомкритическая скорость закалки, т.е. наименьшая скорость охлаждения, при которой в структуре стали получается чистый мартенсит.
Читайте также: