Термическая обработка тяжелонагруженных зубчатых колес
Калетин Ю.М. и др.
Металлургия, 1966 г.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Предварительная термическая обработка штампованных заготовок для зубчатых колес назначается с целью исправления структурной неоднородности, создающейся при пластической деформации в процессе горячей механической обработки, а также с целью улучшения их обрабатываемости на операциях резания, сверления и фрезерования зуба. Критерием обрабатываемости сталей 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А и 25Х2ГНТА обычно является твердость в пределах НВ207—269. Термическая обработка штампованных заготовок должна исправлять крупнозернистую структуру; в результате должно быть получено равномерное, мелкое зерно по всей заготовке, что особенно важно для цементуемых сталей.
Как уже указывалось, необходимость в исправлении перегретой структуры вызывается тем, что качество цементации сталей 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А и 25Х2ГНТА находится в прямой зависимости от исходной зерновой структуры штампованной заготовки. Чем крупнее структура заготовки, тем крупнее карбидная сетка после цементации. На результат исправления перегрева весьма сильное влияние оказывает склонность стали к структурной наследственности, т. е. способность стали сохранять величину зерна при фазовых превращениях. Проявление структурной наследственности наблюдается либо в виде полного или неполного восстановления, либо в виде неполной перекристаллизации структуры, при которых не происходит замены крупного зерна новым мелким (рис. 18). Структурная наследственность обнаруживается также в изломах, и сохранение крупнокристаллических изломов после фазовых превращений свидетельствует о ее проявлении.
Склонную к структурной наследственности сталь опасно цементировать, если ее структура была сколько-нибудь укрупнена. Как правило, карбидная сетка в таких сталях выпадает по тому зерну, которое сохраняется в аустените при нагреве под цементацию, создавая повышенную хрупкость цементованной поверхности зубчатых колес и снижая их работоспособность, если зерно было крупное.
Высоколегированная сталь 18Х2Н4ВА относится к группе мартенситно-бейнитных сталей, которые в практических условиях при охлаждении на воздухе не имеют распада по первой ступени и сохраняют кристаллографическую упорядоченность
В сталях с крупнозернистой кристаллографически упорядоченной структурой (мартенсит, бейнит, отпущенный мартенсит) процесс аустенизации не всегда сопровождается изменением зерна—нередко при нагреве несколько выше Лс3 зерно аустенита оказывается равным исходному крупному зерну стали, т. е. происходит восстановление зерна. Установлено также, что размер зерна аустенита, полученного при нагреве выше Ас3, зависит от предварительной обработки или исходной структуры стали и от скорости нагрева в интервале температур аустенизации. Приведенные выше утверждения экспериментально обоснованы главным образом при изучении фазовой перекристаллизации легированных сталей и имеют непосредственное отношение к цементуемым сталям, из которых изготовляются тяжелонагруженные зубчатые колеса.
Таким образом, для рассматриваемых сталей 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А и 25Х2ГНТА задача предварительной термической обработки значительно усложняется, так как необходимо, чтобы она препятствовала восстановлению зерна при фазовых превращениях и исправляла крупнозернистые структуры возможного перегрева при штамповке.
Обычно предварительная термическая обработка включает нормализацию для исправления структуры и последующий высокий отпуск для смягчения стали и придания ей хорошей механической обрабатываемости.
Формирование структуры при нормализации
Нормализация штампованных заготовок обычно проводится путем нагрева до температур выше точки Ас3 на 70—100° С с определенной выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.
Если в процессе фазового превращения при нагреве осуществляется образование аустенита путем зарождения зародышей кристаллов и их роста, а в процессе охлаждения происходит распад переохлажденного аустенита по перлитному механизму, то можно получить полную перекристаллизацию, результатом которой была бы равномерная, мелкозернистая структура. Действительно, в углеродистых сталях перекристаллизация происходит как путем перехода α-железа в γ-железо при нагреве, так и путем превращения γ -железа в α -железо в процессе охлаждения (сравнительно медленного). В этом случае задача исправления крупнозернистых структур не представляет больших затруднений.
В легированных сталях обычно не наблюдается распада переохлажденного аустенита или же он очень затруднен. Следовательно, для сталей типа 18Х2Н4ВА задача исправления крупного зерна при нормализации усложняется и может быть практически решена только в результате процессов, происходящих при нагреве.
В связи с этим, при рассмотрении вопроса предварительной термической обработки штампованных заготовок из сталей
18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А и 25Х2ГНТА основное внимание необходимо уделять образованию аустенита и его перекристаллизации при нагреве. В результате многих исследований и производственных наблюдении выявлено, что описываемые стали при нагреве под нормализацию из крупнозернистого состояния проявляют сильную структурную наследственность, которая в предельном случае выражается в виде полного восстановления исходного зерна. Различные стали в разной степени склонны к восстановлению зерна. Определенное влияние на эту особенность легированных сталей, как уже указывалось, оказывает скорость нагрева под нормализацию и их исходное состояние.
Сталь 20X2Н4А.
При быстром нагреве образцов из этой стали (300 град/сек) наблюдается восстановление исходного зерна (рис. 20). На границе аустенитных зерен видна цепочка мелких зерен (это явление в дальнейшем будем называть зернограничным эффектом). Нагрев до температуры 1000°С с этой скоростью приводит к образованию мелкого и средних размеров зерна.
При более высоких температурах нагрева (1200° С и выше) зерно даже при небольших выдержках успевает вновь вырасти в процессе собирательной рекристаллизации.
При замедленном нагреве со скоростью до 80 град/мин (соляная ванна) при фазовом превращении наблюдается появление по границам исходного зерна и в его объеме участков нетравящейся структуры, получившей название «белых полей»
«Белые поля» нарушают восстановление зерна; образуется мелкокристаллическая структура. В остальных же участках сохраняется соответствие исходному α-твердому раствору и, следовательно, проявляется структурная наследственность. При медленном нагреве (1 —10 град/мин) стали 20Х2Н4А наблюдается сильное развитие «белых полей», и структура существенно измельчается, но и в этом случае зерно получается неравномерным. Медленный нагрев значительно выше температуры фазового превращения (> 1000°С) приводит к тому, что некоторые зерна вырастают за счет соседних в процессе вторичной рекристаллизации. Более высокие температуры нагрева (>1100°С) вызывают в стали 20Х2Н4А развитие собирательной рекристаллизации.
Таким образом, в процессе нагрева неотпущенной стали 20Х2Н4А с крупнозернистой структурой при фазовом превращении наблюдается: при быстром нагреве — восстановление зерна; при медленном нагреве — образование и развитие «белых полей». Повышение температуры до 1000° С и выше приводит к вторичной и собирательной рекристаллизации.