Фазові і структурні перетворення під час термічної обробки сталей 5ХНМ та ШХ15 (стр. 5 из 12)

Ускладнення процесу гомогенізації сталі 5ХНМ полягає в тому, що вона легована, адже в цьому випадку відбувається дифузія не лише вуглецю, але й малорухомих атомів легуючих елементів. Основними легуючими елементами в сталі 5ХНМ є хром, нікель, молібден, які затримують процес аустенітизації через утворення карбідів, які важко розчиняються в аустеніті. Відповідно необхідно більше часу для гомогенізації аустеніту. Окрім цих основних легуючих елементів в сталі присутні кремній, марганець, що нерівномірно розподілені між феритом та карбідами.

У вихідному перед нагрівом стані зерно аустеніту сталі називається вихідним або дійсним. Зерно, що формується до кінця Ф+К → А перетворення, називається початковим зерном аустеніту. Розмір початкового зерна аустеніта залежить від кількості зародишів, які виникають в данному обсязі в одиницю часу, і швидкості їх росту. Чим дисперсніше частинки цементиту в перлиті, тим дрібніше початкове зерно аустеніту [8].

Такі легуючі елементи, як Cr і Si слабо затримують ріст зерна аустеніту. Мо сильніше затримує ріст зерна аустеніту, через те, що утворює важкорозчинний карбід, який служить бар’єром. Через те, що в сталі 5ХНМ основними легуючими елементами є Cr, Mn, Mo, то можна передбачити, що в якості карбідів будуть виступати карбіди Cr, Mn, Mo: Cr

C , Cr C , Mn C, Mn C , Mo C, MoC.

1.5 Фазові і структурні перетворення під час охолодження сталі 5ХНМ

Після відпалу процес охолодження проводять спочатку уповільнено з піччю до температури 500-400 ºС, потім – у охолоджувальному пристрої до температури 250-150 ºС; після гартування з температури 750-780 ºС охолодження виконують в маслі.

Якщо сталь із структурою аустеніту, що отримана в результаті нагріву до температури вище т.Ас

, переохолодити до температури нижче т. Ас , то аустеніт знаходиться у метастабільному стані.

Кінетика фазового перетворення при визначеному переохолодженні відображається кінетичною кривою, яка показує зростання кількості структурної складової у часі. Для вирішення багатьох питань термообробки не вимагається побудова кінетичних кривих. Достатньо знати величину інкубаційного періоду і час повного перетворення при різних температурах. Інкубаційним називають період, в якому кількість нових кристалів, що утворилася, настільки мала, що перетворення не фіксується звичайними методами дослідження.

Метод вивчення кінетики фазових перетворень за допомогою діаграми ізотермічного розпаду переохолодженої фази, що називають також С-діаграмами або С-подібними кривими, виявився виключно ефективним у теорії термічної обробки. За С-діаграмами можна прямо визначити час початку і кінця перетворення переохолодженої фази при заданій температурі і відповідно до поставленої задачі обирати режими термічної обробки [9].

Стосовно досліджуваної сталі 5ХНМ необхідно звернути увагу на те, що легуючи елементи Ni, Cr, Mo збільшують стійкість переохолодженого аустеніта в області перлітного і бейнітного перетворень зсувають праворуч, тобто у бік більшого часу витримки, криві початку і кінця розпаду.

Природа збільшення стійкості переохолодженого аустеніту під впливом легуючих елементів досить складна. Якщо у вуглецевих сталей перлітне перетворення пов’язане з

→ перебудовою гратки і дифузійним перерозподілом вуглецю, то в легованих сталях до цього може додатися утворення спеціальних карбідів і дифузійний перерозподіл легуючих елементів, які по-різному розчиняються у фериті і карбіді. Що стосується Cr і Ni, то вони уповільнюють → -перебудову, яка є складовою частиною перлітного перетворення. Мо уповільнює дифузію вуглецю у -гратці. Si, який знаходиться у фериті, розчиняючись в ньому, своїх карбідів не утворює.

В області температур проміжного перетворення переохолодженого аустеніту можлива лише дифузія вуглецю, а дифузія легуючих елементів практично виключена. Тому при розпаді аустеніта утворюється

-розчин і карбід цементитного типу, які мають такий же вміст легуючих елементів, що і вихідний аустеніт. Тобто для утворення бейніта необхідна тільки дифузія вуглецю без перерозподілу концентрації легуючих елементів.

Також легуючі елементи впливають неоднаково на стійкість аустеніта у перлітній і проміжних областях. Для сталі 5ХНМ максимальна швидкість перетворення відповідає проміжній області [10].

Для опису кінетіки перетворення переохолодженого аустеніту використовують ізотермічну діаграму розпаду переохолодженого аустеніту (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 – Ізотермічна діаграма переохолодженого аустеніту для сталі 5ХНМ [11]

Проводимо криву охолодження для вперлітного перетворення (1), який протікає при температурі 760-790 ºС. Швидкість охолодження до температури  500 ºС становить

V

= = 0,049 ºС/хвил. –

охолодження проводять з піччю; до 150-250 ºС – в охолоджувальному колодязі. Під час охолодження з зазначеною швидкістю у перші 50 хвилин при температурі 680ºС з аустеніта утворюється перліт. Цей процес продовжується до температури 630ºС протягом 150хв., потім охолодження відбувається швидше (у колодязі), після чого отримуємо кінцеву структуру зернистого перлиту з твердістю 187-241HB.

Визначимо критичну швидкість гартування (2)

V

= = 4,27 ºС/с.

Охолодження здійснюємо зі швидкістю вищу за критичну. Твердість сталі після гартування становить 56-60 HB.

Для розробки технології термічної обробки окрім діаграм ізотермічного розпаду аустеніту, необхідних для різних ізотермічних методів обробки, використовують термокінетичні діаграми. За цими діаграмами можна отримати точні дані про температурні інтервали протікання фазових перетворень під час безперервного охолодження, а також про структурні складові, які при цьому утворюються.

Термокінетичні діаграми також будують у координатах температура-час на основі аналізу серії кривих охолодження, на яких відмічають температури початку і кінця перлітного і проміжного перетворень, і відповідно, області цих перетворень.

За допомогою термокінетичної діаграми сталі розрахуємо швидкості охолодження, які відповідають вказаним нижче величинам твердості.

При твердості: 743 HV V

= =15,26 ºС/с;

743 HV - V

= = 3,22 ºС/с;

720HV - V

= = 2,32 ºС/с;

721HV - V

= = 1,49 ºС/с;

707HV - V

= = 0,43ºС/с;

632HV - V

= = 0,28ºС/с;

544HV - V

= = 0,198ºС/с;

439HV - V

= = 0,035ºС/с;

397HV - V

= = 0,028ºС/с;

371HV - V

= = 0,032ºС/с;

300HV - V

= = 0,01ºС/с;