Промежуточное (бейнитное) превращение
Бейнитное превращение протекает в интервале температур от 500°С до МН (см. рис. 33).
Механизм превращения сочетает в себе элементы диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного превращений. Бейнит – феррито-цементитная смесь, в которой феррит несколько пересыщен углеродом: Б= Ф0,2%С+Ц.
В диапазоне температур переохлаждения аустенита от 500°С до 350°С образуется верхний бейнит перистого строения, с низкими показателями прочности и пластичности.
В диапазоне температур от 350°С до МН образуется нижний бейнит игольчатого (пластинчатого) строения. Нижний бейнит обладает более высокой твёрдостью и прочностью, чем продукты перлитного превращения.
Бейнитное превращение не идёт до конца, в структуре сохраняется АОСТ.
Закалка стали. Методы закалки. Достоинства и недостатки каждого метода
Поверхностная закалка стали с индукционным нагревом (закалка ТВЧ)
При поверхностной закалке ТВЧ для нагрева поверхности детали ее помещают в индуктор, через который пропускают токи высокой частоты. За счет создаваемого переменного магнитного поля в поверхностном слое металла возникают вихревые токи, что и вызывает прогрев на определенную глубину. Толщина закаленного слоя зависит от частоты тока, обычно она составляет от 1 до 4 мм.
Этот способ обеспечивает более высокие скорости нагрева и охлаждения, чем объемная печная закалка. Превращение перлита в аустенит происходит при более высоких температурах (880…980°C). Охлаждение детали производится путем распыления воды из форсунок. После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск при температуре 160…200°C или самоотпуск.
Закалке ТВЧ подвергают среднеуглеродистые стали (0,4…0,5%С). После закалки и низкого отпуска на поверхности образуется структура мартенсита отпуска с твердостью до 60 HRC, что на 3…5 единиц больше, чем при печном нагреве. Сердцевина остается незакаленной, для обеспечения ее вязкости проводят предварительную термообработку: улучшение (структура - сорбит зернистый) или нормализацию (структура сорбит пластинчатый+феррит).
Закалка ТВЧ применяется для таких деталей как коленчатые и распределительные валы, шаровые пальцы, шестерни, зубчатые колеса и др.
Цементация
Цементация – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации - повышение твёрдости и износостойкости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.
Цементацию проводят при температуре 930…950°C в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). В качестве карбюризатора чаще используют газовые среды, например, эндогаз (20%СО+40%H2+40%N2, с добавкой 5% CH4). Основным источником атомарного углерода является окись углерода: 2СО→CO2+Cат. Атомы углерода, образующиеся в насыщающей среде, адсорбируются на поверхности детали, а затем диффундируют вглубь. Образуется диффузионный слой с повышенной концентрацией углерода, толщина которого зависит от температуры и длительности насыщения и составляет обычно 1…2 мм. Для получения слоя толщиной 1,5 мм цементацию проводят в течение 15 часов. Охлаждение после цементации ведут на воздухе.
Цементации подвергают малоуглеродистые стали (0,1…0,3%С). После цементации в поверхностном слое находится до 0,8…1,1%С, содержание углерода плавно уменьшается по глубине до исходной его концентрации в стали. Соответственно меняется структура от поверхности вглубь слоя от заэвтектоидной (П+ЦII), эвтектоидной (П) к доэвтектоидной (П+Ф).
Для получения окончательной структуры и свойств детали после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Для наследственно мелкозернистых сталей закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи, подстуживая детали до 860°C, затем дают низкий отпуск при 160-200°C. Для устранения крупнозернистой структуры сталей применяют повторный нагрев под закалку после цементации.
Окончательная структура поверхности изделия - МОТП+АОСТ+ЦII с высокой твердостью (58..64 HRC). Структура сердцевины углеродистых сталей – сорбит(перлит)+феррит, легированных – бейнит или малоуглеродистый мартенсит.
Азотирование
Азотирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Азотирование проводят при температуре 480…600°С в среде частично диссоциированого аммиака, который является источником атомарного азота: NH3→3/2H2+Nат. Длительность процесса азотирования составляет 24…60 часов для получения слоя толщиной 0,3…0,6 мм.
Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали (0,3…0,5%С), легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием, например 38Х2МЮА (0,38%С, 2% Cr, 1% Al, 0,2% Mo). Азотированный слой имеет многофазное строение: на поверхности образуются нитриды железа (ε- и γ΄-фазы, Fe2-3N и Fe4N соответственно), а также нитриды легирующих элементов типа MeN и Me2N, которые придают высокую твёрдость (1100…1200 HV) азотированному слою.
Перед азотированием проводится термообработка, как правило, улучшение (закалка с высоким отпуском), с целью повышения прочности и вязкости сердцевины за счет формирования структуры сорбита зернистого. Затем проводят механическую обработку для придания окончательных размеров изделию, наносят защитные покрытия на участки, не подлежащие азотированию. После азотирования проводят окончательное шлифование изделия.
Азотирование повышает твердость, износостойкость, предел выносливости, сопротивление коррозии и применяется для упрочнения шестерен, гильз цилиндров, коленчатых и распределительных валов, клапанов двигателей внутреннего сгорания и т.д.
Структуры сталей после закалки:
· доэвтектоидных - М+АОСТ,
· эвтектоидной - М+АОСТ,
· заэвтектоидных – М+АОСТ+ЦII.
Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева под закалку
Задача: Сталь ШХ15 содержит ~1%С и 1,5%Cr. Термообработка: закалка в масле с температуры 820…850°С + низкий отпуск при 150…170°С. Структура – мартенсит и дисперсные карбиды. Сталь ШХ15СГ дополнительно содержит 0,8%Si и 1,2%Mn для повышения прокаливаемости, и применяется для крупногабаритных подшипников
Билет № 11
Диаграмма состояния Fe-С. Фазы и структуры на диаграмме. Виды сталей и чугунов на диаграмме.
точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;
точка D – температура плавления цементита 1250°С;
точка G – 910°С (А3) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;
ABCD – линия ликвидус;
AJECF – линия солидус;
ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;
PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;
точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);
точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);