Прокаливаемость сталей

Прокаливаемость и критическая скорость охлаждения

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической.

Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) — это минимальная скорость, при которой аустенит еще не распадается на ферритокарбидную смесь.

В первом приближении критическая скорость закалки определяется наклоном касательной к С-кривой начала распада аустенита. При таком определении получается величина, примерно в 1,5 раза превышающая истинную критическую скорость.

В Кинетике фазовых превращений отмечалось, что при наложении кривых охлаждения на С-диаграмму изотермических превращений нельзя проводить строгих количественных расчетов температур начала и конца превращения исходной фазы при непрерывном охлаждении. Выше точки касания кривой υкр к С-кривой превращение развивается более вяло, чем при температуре, соответствующей точке касания.

Следовательно, за время, равное инкубационному периоду при температуре точки касания, непрерывно охлаждающийся аустенит еще не начнет распадаться. Поэтому истинная критическая скорость меньше той, которая определяется по тангенсу угла наклона касательной к С-кривой начала изотермического распада. Истинную величину υкр можно получить при использовании термокинетических диаграмм (смотрите Кинетика фазовых превращений и Нагрев и охлаждение при закалке без полиморфного превращения).


Определение критической скорости закалки по С-диаграмме

Определение критической скорости закалки по С-диаграмме

Определение критической скорости закалки по С-диаграмме: υц и υп — скорости охлаждения центра и поверхности изделия:

1 — начало распада аустенита;
2 — окончание распада аустенита.


Поверхность изделия всегда охлаждается быстрее, чем центр. Скорость охлаждения на поверхности может быть больше критической, а в центре — меньше. В этом случае аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре изделия испытывает перлитное превращение, т. е. деталь не прокалится насквозь.

Прокаливаемость
— одна из важнейших характеристик стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны.

Прокаливаемость зависит прежде всего от критической скорости охлаждения. На рисунке изображена кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру цилиндрического образца в сопоставлении с величиной критической скорости. Кольцевой объем около поверхности изделия охлаждается со скоростью больше критической, и поэтому он закален на мартенсит.

Сердцевина цилиндра охлаждается со скоростью меньше, чем критическая, и поэтому она не закалена на мартенсит.

В массивной детали большого сечения после закалки можно наблюдать всю гамму структур: плавный переход от мартенсита около поверхности через троостомартенсит, троостит и сорбит до перлита в центре.


Прокаливаемость цилиндра

Прокаливаемость цилиндра

Прокаливаемость цилиндра:

а — несквозная прокаливаемость;
б — сквозная прокаливаемость;
1 — кривая распределения скоростей охлаждения по диаметру цилиндра;
2 — критическая скорость охлаждения (заштрихован слой, закаленный на мартенсит).


Если центр изделия охлаждается со скоростью больше критической, то деталь закаливается на мартенсит насквозь. Как видно на рисунке, для увеличения прокаливаемости детали данного сечения необходимо или повышать скорость охлаждения (кривая 1 сдвигается вверх), или понижать критическую скорость закалки: и в том, и в другом случае затрихованное сечение закаленной зоны будет возрастать.

Критическая скорость охлаждения зависит от всех факторов, влияющих на скорость распада аустенита. Факторы, увеличивающие стойкость переохлажденного аустенита против распада, т. е. сдвигающие С-кривые вправо, увеличивают прокаливаемость (при сдвиге С-кривой вправо касательная к ней располагается под меньшим углом).

Устойчивость переохлажденного аустенита против эвтектоидного распада зависит от его гомогенности, размера действительного зерна и химического состава, от присутствия нерастворенных карбидов и других включений в стали и от малых количеств примесей, в том числе и неконтролируемых.

Так как для зарождения эвтектоида необходимы местные обогащения и обеднения γ-раствора углеродом, то чем однороднее аустенит, тем более устойчив он против эвтектоидного распада и тем больше прокаливаемость.

С укрупнением действительного аустенитного зерна уменьшается суммарная межзеренная поверхность, на которой предпочтительно начинается распад, и прокаливаемость увеличивается.

Увеличение температуры нагрева и времени выдержки перед закалкой приводит к выравниванию концентрации γ-раствор а и к росту аустенитного зерна, т. е. повышает устойчивость переохлажденного аустенита. Поэтому с ростом температуры нагрева и выдержки перед закалкой прокаливаамость стали увеличивается, причем первый фактор более эффективен.

Для увеличения прокаливаемости совершенно необязательно закаливать сталь с повышенной температуры.

Выравнивание концентрации γ-раствора и укрупнение его зерна — необратимые процессы. Если сталь была нагрета до высокой температуры, а затем медленно охлаждена в аустенитной области до нормальной температуры закалки, то прокаливаемость также возрастает.

Очень сильно на прокаливаемость влияет химический состав аустенита. С повышением концентрации углерода в аустените он делается устойчивее и критическая скорость закалки уменьшается. Наименьшей критической скоростью, т. е. наилучшей прокаливаемостью, обладают стали, состав которых близок к эвтектоидному.


Зависимость критической скорости охлаждения

Зависимость критической скорости охлаждения

Зависимость критической скорости охлаждения при закалке
от содержания углерода (Эссер).


Повышение критической скорости у заэвтектоидных сталей объясняется тем, что они закаливаются не из аустенитной области, а с температур выше А1, но ниже Аст (смотрите ниже рисунок Интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей). С увеличением содержания углерода в заэвтектоидной стали концентрация его в аустените при нормальной температуре закалки (А1 + З5 — 60 °С) не повышается, а количество цементита растет. Частицы цементита, являясь затравкой для перлитного превращения, уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита.

Поэтому с повышением содержания углерода в заэвтектоидной стали критическая скорость закалки возрастает. Если заэвтектоидные стали закаливать с температур выше Аст (из аустенитной области), то критическая скорость охлаждения будет непрерывно уменьшаться с увеличением содержания углерода в стали, так как при этом повышается концентрация углерода в аустените.

Прокаливаемость углеродистой стали значительно возрастает при введении в нее сотых и тысячных долей процента бора. Бор, являясь поверхностно активным элементом в растворе, концентрируется по границам зерен аустенита и снижает здесь поверхностную энергию, что затрудняет предпочтительное образование центров распада по границам зерен, и переохлажденный аустенит становится устойчивее. Поэтому введение малых количеств бора в углеродистую сталь повышает ее прокаливаемость. 

Сталь одной марки, но разных плавок обладает различной прокаливаемостью, что объясняется различием в размере аустенитного зерна, влиянием неконтролируемых количеств растворенных примесей и включений оксидов, нитридов, сульфидов и др.

За исключением кобальта, все легирующие элементы, растворенные в аустените, затрудняют его распад, уменьшают критическую скорость закалки и улучшают прокаливаемость.

Природа замедления распада аустенита под влиянием легирующих элементов обсуждена в Диффузионных превращениях аустенита при охлаждении. Для улучшения прокаливаемости широко используют добавки марганца, никеля, хромай молибдена. Особенно эффективно комплексное легирование, при котором полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. Например, для стали с 0,4% С и 3,5% Ni критическая скорость закалки равна 160 град/с, а добавляемые 0,76% Мо снижает эту скорость примерно до 4 град/с.


Влияние легирующих элементов

Влияние легирующих элементов

Влияние легирующих элементов на критическую скорость закалки
стали, содержащей 0,9 — 1% С (Эссер).


Карбидообразующие элементы увеличивают прокаливаемость лишь в том случае, если они при температуре закалки растворены в аустените. Если же температура закалки недостаточно высока, то нерастворившиеся карбиды, являясь центрами распада аустенита, ухудшают прокаливаемость.

Увеличение прокаливаемости при легировании используют в двух направлениях. Во-первых, применение легированной стали обеспечивает сквозную прокаливаемость в таких больших сечениях, которые невозможно прокалить насквозь, если использовать углеродистую сталь. Например, при закалке в воде стали 45 критический диаметр (смотрите Режимы закалки без полиморфного превращения сплавов на разной основе) равен 20 мм, в то время как изделия из стали 40XHMA диаметром 120 мм прокаливаются насквозь при охлаждении в масле.

Во-вторых, для изделий небольшого сечения замена углеродистой стали легированной позволяет перейти к менее резкому закалочному охлаждению. Применяя углеродистую сталь, можно прокалить насквозь изделие небольшого сечения, если применять закалку в воде.

Но при этом могут возникнуть недопустимо большие остаточные напряжения, а также коробление и трещины, особенно в изделиях сложной формы. Применение легированной стали позволяет заменить закалку в воде более мягкой закалкой в эмульсии, масле или даже на воздухе. 

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

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…

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…