Бейнит — игольчатая структура стали

Превращения переохлажденного аустенита

Рассмотрим структуры, возникающие из аустенита при всевозрастающих скоростях охлаждения:

  1. Перлитное превращение носит диффузионный характер: происходит перераспределение углерода в сплаве. Аустенит распадается на пластины феррита (С<0,025%) и цементита (С=6,67%). С повышением скорости охлаждения пластины становятся все тоньше. Выделяют:
    • собственно перлит – грубодифференцированный перлит (скорость охлаждения V1, см. рисунок «Кривые охлаждения…»);
    • сорбит – среднедифференцированный перлит (V2);
    • троостит – тонкодифференцированный перлит (V3).

Чем выше степень дисперсности структур, тем выше твердость и прочность сплава;

  1. Бейнитное (промежуточное) превращение (скорость V4) несет в себе черты, как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращений. Структуру бейнита составляют несколько пересыщенное углеродом α-железо и частички карбидов. Принято выделять:
    • верхний бейнит, получающийся при невысоких скоростях охлаждения. Имеет «перистый» вид. В сравнении с продуктами перлитного превращения имеет пониженную пластичность. Твердость и прочность не растет;
    • нижний бейнит получается при более высоких скоростях охлаждения. Имеет игольчатый вид. Наблюдается некоторое повышение прочности, твердости и пластичности;
  1. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер. Скорости охлаждения столь высокие (например, при закалке деталей; скорость охлаждения выше Vкр), что не успевает произойти диффузия атомов углерода и они занимают позиции в порах решетки образующегося α-железа, сильно искажая ее.

    Соответственно, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Концентрация углерода может достигать ее значения в исходном аустените, т.е. 2,14%. Мартенсит характеризуется высокими твердостью и прочностью, а так же хрупкостью.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

– пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

– пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

– конвективный теплообмен.

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье “Характеристики закалочных масел” 

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры – закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Охлаждение детали

Охлаждение — второй важный этап процесса закалки, от его скорости и равномерности зависит качество и твердость всей поверхности. Охлаждение происходит в баках с охлаждающей жидкостью или разбрызгиванием. Для качественной закалки необходимо поддерживать стабильную температуру охлаждающей жидкости, не допускать ее перегрева. Отверстия в спрейере должны быть одинакового диаметра и расположены равномерно, так достигается одинаковая структура металла на поверхности.

Чтобы индуктор не перегревался в процессе работы, по медной трубке постоянно циркулирует вода. Некоторые индукторы выполняются совмещенными с системой охлаждения заготовки. В трубке индуктора прорезаны отверстия, через которые холодная вода попадает на горячую деталь и остужает ее.

Закалка токами высокой частоты

Литература

  • Kay Meggers: Echtzeit Neutronen-Transmissionsuntersuchung der Austenit-Bainit Phasenumwandlungskinetik in Gusseisen. Hochschulschrift, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel 1995. (Dissertation)
  • Hans-Jürgen Bargel (Hrsg.): Werkstoffkunde. Mit 204 Tabellen. 7., überarb. Aufl., Springer, Berlin u.a. 2000 (= Springer-Lehrbuch), ISBN 3-540-66855-1, S. 166 ff.
  • Jürgen Ruge, Helmut Wohlfahrt: Technologie der Werkstoffe. Herstellung, Verarbeitung, Einsatz. Mit 68 Tabellen. 8., überarb. und erw. Aufl., Vieweg, Wiesbaden 2007 (= Studium Technik), ISBN 3-8348-0286-7, S. 67 ff. (Medienkombination; mit DVD-ROM)
  • Dieter Liedtke: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen. 1. Grundlagen und Anwendungen. 7., völlig neu bearb. Aufl., expert-Verl., Renningen 2007, ISBN 3-8169-2735-1, S. 20, 30, 63 ff.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием – сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур:  верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной <1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита. Структура верхнего бейнита отличается более высокой твердостью и прочностью, но пониженной пластичностью. Нижний бейнит имеет игольчатое мартенситоподобное строение, образуется в интервале 350-200 °С. Нижний бейнит состоит из тонких частиц ε-карбидов, расположенных в пластинках феррита. Бейнитное превращение никогда не идет до конца. В структуре всегда есть мартенсит и остаточный аустенит. Более предпочтительной, в плане эксплуатационных характеристик, является структура нижнего бейнита. Изделия с такой структурой используются в вагоностроении, в деталях испытывающих ударно-растягивающие напряжения. Технология закалки на бейнит требует специального закалочного оборудования. Дополнительные материалы по этой технологии можете найти в статье “Технология закалки на бейнит”.

Обработка холодом (5) применяется для сталей, у которых температура конца мартенситного превращения Мк находится ниже комнатной температуры.

Обработке холодом подвергают быстрорежущие стали, цементованные детали, мерительные инструменты, и другие особо точные изделия. Подробнее про этот нестандартный способ термообработки можете прочитать в статье “Обработка холодом стальных деталей”

Выбор температуры

Для правильного прохождения процесса закалки очень важен правильный подбор температуры, которая зависит от используемого материала.

Стали по содержанию углерода подразделяются на доэвтектоидные — меньше 0,8% и заэвтектоидные — больше 0,8%. Сталь с углеродом меньше 0,4% не закаливают из-за получаемой низкой твердости. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800—850°С. Затем заготовку быстро охлаждают. При резком остывании аустенит превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый аустенит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура стали обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Микроструктура стали

Заэвтектоидные стали нагревают чуть ниже, чем доэвтектоидные, до температуры 750—800°С, то есть производят неполную закалку. Это связано с тем, что при нагреве до этой температуры кроме образования аустенита в расплаве металла остается нерастворенным небольшое количество цементита, обладающего твердостью высшей, чем у мартенсита. После резкого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, а цементит остается в виде мелких включений. Также в этой зоне не успевший полностью раствориться углерод образует твердые карбиды.

В переходной зоне при закалке ТВЧ температура близка к переходной, образуется аустенит с остатками феррита. Но, так как переходная зона не остывает так быстро, как поверхность, а остывает медленно, как при нормализации. При этом в этой зоне происходит улучшение структуры, она становится мелкозернистой и равномерной.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и серединой необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска — выдержкой при температуре около 200°С в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Также можно проводить так называемый самоотпуск — охлаждать деталь не полностью, а до температуры 200°С, при этом в ее сердцевине будет оставаться тепло. Дальше деталь должна остывать медленно. Так произойдет выравнивание внутренних напряжений.

https://youtube.com/watch?v=vUaDCaVcjac

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание “носа” С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Технология изотермической закалки на бейнит

Бейнит — структура стали, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения, при изотермической выдержке в интервале температур выше начала мартенситного превращения и ниже «носа» с-кривой стали.

Промежуточным это превращение называют по тому, что оно происходит при некоторой диффузии углерода в аустените (механизм перлитного превращения) и сдвиговом механизме перестройки кристаллической решётки (механизм мартенситного превращения).

Соответственно структура содержит перлито- и мартенситоподобные составляющие — трооститные иголки и карбиды. В зависимости от температуры превращения различают верхний бейнит, имеющий не очень высокий комплекс механических свойств, и нижний бейнит с достаточно высокой твердостью, вязкостью и пластичностью.

Именно нижний бейнит и представляет особый интерес. При высокой твердости, близкой к мартенситной, он имеет показатели пластичности и вязкости в несколько раз превышающие показатели мартенсита.

Так, например, сталь с химическим составом: 0,6%С, ~1%Cr, ~1%Si, термообработанная на мартенсит отпуска и нижний бейнит (температура изотермической выдержки 250ºС), имеет следующие механические свойства:

  • Структура                                                     Нижний бейнит         Мартенсит отпуска
  • HRC                                                                   54 — 55                          54 — 55
  • Предел прочности, МПа                                 1900                             1500
  • Ударная вязкость,  кГм/см^2                             3                                   1
  • Удлинение, %                                                       7                                   1
  • Стрела прогиба при
  • статическом изгибе, мм                                    5                                 1.5

Сочетание таких высоких показателей механических свойств просто уникально, но почему-то широкого применения изотермическая закалка на бейнит не нашла. В основном бейнитную структуру получают при изготовлении ударного инструмента и изделий железнодорожного транспорта.

Остается непонятным вопрос: почему изотермическая закалка не применяется при изготовлении изделий, которые, например, работают на трение и изгиб — шестерни, сателлиты, звездочки? Традиционные цементация, закалка и низкий отпуск безусловно дают высокую твердость и износостойкость.

Но при этом характеристики пластичности остаются на минимуме. Что же мешает увеличить ресурс работы таких изделий, повысив пластичность? Например, если поверхностный слой будет иметь сверху мартенситную износостойкую структуру, а ниже более пластичную — бейнитную.

И это все при равных показателях твердости обоих слоев.

Вообще закалка на бейнит могла бы легко заменить термообработку на мартенсит отпуска. Показатели твердости обеих структур примерно одинаковы. А прочность, пластичность и вязкость нижнего бейнита выше, чем у низкоотпущенного мартенсита.

Это наводит на мысль, что и предел выносливости металла будет выше.

Кроме этого, повышая температуру изотермической выдержки будут снижаться прочностные характеристики металла, что позволяет существенно расширить область применения сталей с бейнитной структурой.

Скорее всего, внедрение технологии изотермической закалки тормозят три проблемы: увеличение количества высокоточного оборудования, увеличение длительности и трудоёмкости технологических процессов (две основных проблемы, т.к. всё выльется в деньги на увеличение капитальных и текущих затрат) и использование вредных закаливающих сред.

Последняя проблема решается при использовании вертикальных печей элеваторного закрытого типа с хорошей вентиляцией закалочного бака. Да и увеличение себестоимости продукции скорее всего окупиться за счет повышения качества и увеличенного ресурса работы изделия.

Это и является проявлением тонкой грани между изотермической и непрерывной закалкой. Особенно такая проблема актуальна для крупносерийных производств, где требуется оперативный контроль качества для максимально быстрой передачи продукции на следующий передел.

Но и это не является серьезной проблемой, так как все решается по средствам использования современной металлографической и испытательной техники.

Вопрос о получении той или иной структуры металла при термической обработке, необходимо решать в каждом конкретном случае, для каждой детали индивидуально. Но, то, что стали с бейнитной структурой имеют достаточно серьезные показатели механических свойств и успешно могут конкурировать с сорбитными и низкоотпущенными мартенситными сталями, остается неоспоримым фактом.

Достоинства и недостатки

Закалка деталей с помощью ТВЧ обладает как достоинствами, так и недостатками. К достоинствам можно отнести следующее:

  • После закалки ТВЧ у детали сохраняется мягкой середина, что существенно повышает ее сопротивление пластической деформации.
  • Экономичность процесса закалки деталей ТВЧ связана с тем, что нагревается только поверхность или зона, которую необходимо закалить, а не вся деталь.
  • При серийном производстве деталей необходимо настроить процесс и далее он будет автоматически повторяться, обеспечивая необходимое качество закалки.
  • Возможность точно рассчитать и регулировать глубину закаленного слоя.
  • Непрерывно-последовательный метод закалки позволяет использовать оборудование малой мощности.
  • Малое время нагрева и выдержки при высокой температуре способствует отсутствию окисления обезуглероживания верхнего слоя и образования окалины на поверхности детали.
  • Быстрый нагрев и охлаждение не дают большого коробления и поводок, что позволяет уменьшить припуск на чистовую обработку.

https://youtube.com/watch?v=IjuKarv04Ec

Но индукционные установки экономически целесообразно применять только при серийном производстве, а для единичного производства покупка или изготовление индуктора невыгодно. Для некоторых деталей сложной формы производство индукционной установки очень сложно или невозможно получить равномерность закаленного слоя. В таких случаях применяют другие виды поверхностных закалок, например, газопламенную или объемную закалку.

Индукционная установка

Индукционная установка для термообработки ТВЧ представляет собой высокочастотный генератор и индуктор для закалки ТВЧ. Закаливаемая деталь может располагаться в индукторе или возле него. Индуктор изготовлен в виде катушки, на ней навита медная трубка. Он может иметь любую форму в зависимости от формы и размеров детали. При прохождении переменного тока через индуктор в нем появляется переменное электромагнитное поле, проходящее через деталь. Это электромагнитное поле вызывает возникновение в заготовке вихревых токов, известных как токи Фуко. Такие вихревые токи, проходя в слоях металла, нагревают его до высокой температуры.

Индукционный нагреватель ТВЧ

Отличительной чертой индукционного нагрева с помощью ТВЧ является прохождение вихревых токов на поверхности нагреваемой детали. Так нагревается только наружный слой металла, причем, чем выше частота тока, тем меньше глубина прогрева, и, соответственно, глубина закалки ТВЧ. Это дает возможность закалить только поверхность заготовки, оставив внутренний слой мягким и вязким во избежание излишней хрупкости. Причем можно регулировать глубину закаленного слоя, изменяя параметры тока.

Повышенная частота тока позволяет сконцентрировать большое количество тепла в малой зоне, что повышает скорость нагревания до нескольких сотен градусов в секунду. Такая высокая скорость нагрева передвигает фазовый переход в зону более высокой температуры. При этом твердость возрастает на 2—4 единицы, до 58—62 HRC, чего невозможно добиться при объемной закалке.

Для правильного протекания процесса закалки ТВЧ необходимо следить за тем, чтобы сохранялся одинаковый просвет между индуктором и заготовкой на всей поверхности закаливания, необходимо исключить взаимные прикосновения. Это обеспечивается при возможности вращением заготовки в центрах, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, и, как следствие, одинаковую структуру и твердость поверхности закаленной заготовки.

Индуктор для закалки ТВЧ имеет несколько вариантов исполнения:

  • одно- или многовитковой кольцевой — для нагрева наружной или внутренней поверхности деталей в форме тел вращения — валов, колес или отверстий в них;
  • петлевой — для нагрева рабочей плоскости изделия, например, поверхности станины или рабочей кромки инструмента;
  • фасонный — для нагрева деталей сложной или неправильной формы, например, зубьев зубчатых колес.

В зависимости от формы, размеров и глубины слоя закаливания используют такие режимы закалки ТВЧ:

  • одновременная — нагревается сразу вся поверхность заготовки или определенная зона, затем также одновременно охлаждается;
  • непрерывно-последовательная — нагревается одна зона детали, затем при смещении индуктора или детали нагревается другая зона, в то время как предыдущая охлаждается.

Одновременный нагрев ТВЧ всей поверхности требует больших затрат мощности, поэтому его выгоднее использовать для закалки мелких деталей — валки, втулки, пальцы, а также элементов детали — отверстий, шеек и т.д. После нагревания деталь полностью опускают в бак с охлаждающей жидкостью или поливают струей воды.

Непрерывно-последовательная закалка ТВЧ позволяет закалять крупногабаритные детали, например, венцы зубчатых колес, так как при этом процессе происходит нагрев малой зоны детали, для чего нужна меньшая мощность генератора ТВЧ.

Структура и свойства

Итак, определить, что представляет собой ледебурит достаточно просто. Главной фазой, которая обеспечивает его образование, считается цементит. На поверхности этой составляющей, за рождение которой отвечает эвтектическая жидкость, появляется пластина дендрита аустенита. Следом происходит мгновенное парное разрастание кристаллических элементов из фаз. С учётом температурных режимов, ледебуритный состав, как правило, имеет различные компоненты. К примеру, температура 1145 – 726 свидетельствует о присутствии цементита и аустенита в ледебуритной основе. Понижение теплового показателя обеспечивает появление таких объектов, как феррит и цементит. Преимущество ледебурита состоит в том, что он отличается повышенной хрупкостью и твердостью.

Литература

  • Kay Meggers: Echtzeit Neutronen-Transmissionsuntersuchung der Austenit-Bainit Phasenumwandlungskinetik in Gusseisen. Hochschulschrift, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel 1995. (Dissertation)
  • Hans-Jürgen Bargel (Hrsg.): Werkstoffkunde. Mit 204 Tabellen. 7., überarb. Aufl., Springer, Berlin u.a. 2000 (= Springer-Lehrbuch), ISBN 3-540-66855-1, S. 166 ff.
  • Jürgen Ruge, Helmut Wohlfahrt: Technologie der Werkstoffe. Herstellung, Verarbeitung, Einsatz. Mit 68 Tabellen. 8., überarb. und erw. Aufl., Vieweg, Wiesbaden 2007 (= Studium Technik), ISBN 3-8348-0286-7, S. 67 ff. (Medienkombination; mit DVD-ROM)
  • Dieter Liedtke: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen. 1. Grundlagen und Anwendungen. 7., völlig neu bearb. Aufl., expert-Verl., Renningen 2007, ISBN 3-8169-2735-1, S. 20, 30, 63 ff.
Поделитесь в социальных сетях:vKontakteFacebookTwitter
Напишите комментарий