Закалка стальных полос

Дедек В.

Металлургия, 1977 г.

КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА

Для замера содержания остаточного аустенита в закаленных сталях используют ряд методов, каждый из которых имеет ряд ограничений в применении, связанных в основном с их неточностью. Точное определение содержания остаточного аустенита до сих пор представляет техническую проблему, и поэтому на практике пользуются приближенными методами, что вполне достаточно. Не следует удивляться, если содержание остаточного аустенита, определенное в закаленной стали различными методами, будет неодинаковым.

Замеренные значения могут значительно различаться также и в том случае, когда замеры проводили после истечения большого промежутка времени после термической обработки или на образцах, в которых произошли температурные изменения, так как действительное содержание остаточного аустенита вследствие термических изменений и стабилизации могло заметно измениться.

Из различных методов определения содержания остаточного аустенита следует отметить три метода: рентгенографический, металлографический и магнитный [52].

Рентгеноспектральный анализ теоретически позволяет определять фазовый состав остаточного аустенита с большой точностью, однако его основным недостатком является трудность определения относительной доли фаз в многофазных структурах, которые наблюдаются почти во всех инструментальных сталях. Кроме Fe_aи Fe_Y, структура закаленных или закаленных и отпущенных сталей содержит также и карбид Fe₃C, а легированные стали — различные типы комплексных карбидов переменного состава со сложной кристаллической решеткой. Спектральные линии, соответствующие разным фазам, часто совпадают или перекрываются, и под влиянием напряжений спектрограммы не очень контрастны. При рентгенографическом определении остаточного аустенита в закаленных полосах стали возникают и другие трудности, связанные с малым размером частиц аустенита, вкрапленных в очень мелкозернистую игольчатую мартенситную структуру.

Метод оптической металлографии позволяет определить количество остаточного аустенита в структуре, если селективное травление хорошо выявляет аустенитную фазу. Содержание остаточного аустенита можно определять количественными методами, например точечным, линейным или сетчатым анализом, или. с помощью электронного анализатора. Однако основная трудность заключается в том, что частицы аустенита в закаленных полосах стали настолько мелки, что их невозможно определить даже при максимальном увеличении в 2000 раз, достигаемом на обычных металлографических микроскопах. Кроме того, травление таких субмикроскопических частиц также проблематично.

Ошибка измерения, вызванная этими причинами, может достигать десятков процентов.

Другим, пожалуй, самым приемлемым методом является магнитный метод, основанный на значительном различии в магнитных свойствах аустеиита и мартенсита. Хотя на первый взгляд этот метод кажется самым точным, он имеет много ограничений и неточностей. Основной проблемой является правильное определение напряженности магнитного поля, в котором проводят измерение, и невозможность определения действительной величины размагничивающего фактора отдельных частиц ферромагнитных фаз. Для исключения большинства переменных факторов необходимо проводить измерение в сильных магнитных полях с напряженностью порядка 80—2000 кА/м.

Однако основной трудностью при магнитных измерениях является отсутствие сведений о точном фазовом составе структуры и химическом составе отдельных структурных фаз. Истинная величина намагничивания образца также является суммой парциальной намагниченности отдельных ферромагнитных фаз, которыми могут быть, кроме мартенсита, еще и карбиды. Магнитное насыщение различных карбидов неодинаково и значительно отличается от насыщения мартенсита, и его долю в суммарной намагниченности образца можно определить лишь расчетным путем, зная содержание и состав карбидов.

Основная ошибка при магнитном измерении связана с тем, что намагниченность всех ферромагнитных составляющих изменяется в зависимости от их химического состава. Кроме того, при изменении состава меняется и точка Кюри (температура, при которой ферромагнитное вещество теряет магнитные свойства) каждой фазы; так, например, в цементите с высоким содержанием хрома точка Кюри может располагаться при температуре ниже 0° С. Учитывая вышесказанное, все магнитные определения остаточного аустенита проводят при комнатной температуре и они являются пол у количественными.

Недостатки этого метода можно частично устранить при применении кинетического метода, при котором исследуемый образец подвергают запрограммированному нагреву и охлаждению, в результате чего остаточный аустенит частично или полностью распадается (термомагнитный анализ). За протеканием структурных изменений при нагреве и охлаждении можно наблюдать с помощью дилатометрических и магнитных измерений. Для отличия карбидных реакций от превращений в основных структурных фазах можно использовать температуры точек Кюри отдельных фаз, определенные магнитным методом. Для намагничивания всех присутствующих частиц до насыщения необходимо при термомагнитном анализе применять соответствующее сильное магнитное поле.

Сложность термомагнитного анализа заключается в том, что при нагреве, кроме распада остаточного аустенита, меняется и количество карбидов в структуре, а также состав фаз. По положению точек Кюри можно определить состав и содержание цементита в образце после термического цикла. Более трудно определить содержание ферромагнитных карбидов в исходном состоянии, что очень важно, так как их точка Кюри обычно совпадает с изменениями, вызванными распадом остаточного аустенита. Их можно определить с помощью циклического термомагнитного анализа, при котором замеряемый образец в течение нескольких циклов нагревается и охлаждается таким образом, чтобы точки Кюри отдельных составляющих различались. С помощью этого способа невозможно определить содержание парамагнитных карбидов, необходимое для расчета содержания остаточного аустенита.

В настоящее время термомагнитный анализ является самым точным и объективным методом, применяемым для определения содержания остаточного аустенита в закаленных сталях. С помощью этого метода измеряют величину магнитного насыщения перед отпуском и после отпуска и получают сведения об изменениях и карбидах в данной температурной области. Однако для этих измерений необходимы специальные измерительные установки.

Количественное определение содержания остаточного аустенита может быть значительно ускорено в случае применения комбинации нескольких различных измерительных методов.

КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ЗАЩИТНЫЕ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Высокие требования к качеству и свойствам закаленных стальных полос предполагают, что их термическая обработка при высоких температурах должна осуществляться в печных атмосферах, обеспечивающих получение полосы с блестящей поверхностью без окисления, возникновения цветных пятен и сажи, предупреждающих обезуглероживание и неконтролируемое науглероживание материала. Эти требования к печной атмосфере возрастают с повышением температуры и увеличением времени нагрева материала, так как при этом повышается химическая активность металла и возрастает диффузия отдельных элементов в стали.

Без глубокого знания, контроля и применения защитных атмосфер в настоящее время нельзя получить закаленные стальные полосы с равномерными свойствами и структурой, достичь высокого качества и стойкости инструмента и деталей, изготовленных из полосы, обеспечить возможность компенсирующего науглероживания поверхностно обезуглероженных слоев полосы при предварительной горячей деформации материала и добиться высокой рентабельности производства, сведя к минимуму затраты при конечной отделке поверхности закаленных полос. Знание различных типов защитных атмосфер очень важно с экономической точки зрения, а также с точки зрения безопасности. В первом случае потому, что применение контролируемых атмосфер при термической обработке увеличивает накладные расходы; поэтому не всегда нужно применять самые дорогостоящие атмосферы и всегда следует принимать во внимание доступность и стоимость сырых материалов для производства их. Во втором случае необходимо знать взрывоопасность и ядовитость применяемой атмосферы. Производство, применение, расчеты, контроль и цены на контролируемые атмосферы рассмотрены подробно в специальной литературе [8—14]. В данной книге рассмотрены лишь вопросы термической обработки холоднокатаных стальных полос из углеродистых, легированных и нержавеющих сталей. Большое внимание уделено проблемам обезуглероживания стали, контролю и расчетам контролируемых атмосфер и применению оптимальных атмосфер с учетом химического состава стали и температуры нагрева.

При производстве холоднокатаных полос в прокатных и термических цехах применяют контролируемые атмосферы при умягчающем отжиге полосы, при рекристаллизационном отжиге после холодной прокатки, при нагреве полосы до температуры закалки, а иногда и отпуска.

При выборе соответствующего состава контролируемой атмосферы необходимо учитывать следующие основные факторы: структурное состояние стали при температурах отжига, температуру и длительность отжига, химический состав стали.