Аустенитная закалка — это термическая обработка , которая применяется к черным металлам , в первую очередь к стали и ковкому чугуну. В стали она производит микроструктуру бейнита , тогда как в чугунах она производит структуру игольчатого феррита и высокоуглеродистого, стабилизированного аустенита, известного как аустенит . Она в основном используется для улучшения механических свойств или уменьшения / устранения искажений. Аустенитная закалка определяется как процессом, так и полученной микроструктурой. Типичные параметры процесса аустенита, применяемые к неподходящему материалу, не приведут к образованию бейнита или аустенита, и, таким образом, конечный продукт не будет называться аустенитным. Обе микроструктуры также могут быть получены другими методами. Например, они могут быть получены в литом виде или охлажденными на воздухе с надлежащим содержанием сплава. Эти материалы также не называются аустенитными.
Закалка стали была впервые осуществлена в 1930-х годах Эдгаром К. Бейном и Эдмундом С. Дэвенпортом, которые в то время работали в United States Steel Corporation. Бейнит, должно быть, присутствовал в сталях задолго до его признанной даты открытия, но не был идентифицирован из-за ограниченных доступных металлографических методов и смешанных микроструктур, образованных методами термообработки того времени. Случайные обстоятельства вдохновили Бейна на изучение изотермических фазовых превращений. Аустенит и более высокотемпературные фазы стали становились все более и более понятными, и уже было известно, что аустенит может сохраняться при комнатной температуре. Благодаря своим контактам в American Steel and Wire Company, Бэйн узнал об изотермических превращениях, используемых в промышленности, и начал придумывать новые эксперименты [1]
Дальнейшие исследования изотермического превращения сталей стали стали результатом открытия Бейном и Дэвенпортом новой микроструктуры, состоящей из «игольчатого, темного травящегося агрегата». Было обнаружено, что эта микроструктура «жестче при той же твердости, чем закаленный мартенсит». [2] Коммерческая эксплуатация бейнитной стали не была быстрой. Распространенные в то время методы термообработки включали методы непрерывного охлаждения и не были способны на практике производить полностью бейнитные микроструктуры. Ассортимент доступных сплавов производил либо смешанные микроструктуры, либо избыточное количество мартенсита. Появление низкоуглеродистых сталей, содержащих бор и молибден, в 1958 году позволило производить полностью бейнитную сталь путем непрерывного охлаждения. [1] [3] Таким образом, коммерческое использование бейнитной стали стало результатом разработки новых методов термообработки, при этом те, которые включают этап, на котором заготовка выдерживается при фиксированной температуре в течение периода времени, достаточного для преобразования, стали известны как аустэмперинг.
Одним из первых применений аустовой закаленной стали было изготовление винтовочных болтов во время Второй мировой войны. [4] Высокая ударная вязкость, возможная при высокой твердости, и относительно небольшой размер сечения компонентов сделали аустовую закаленную сталь идеальной для этого применения. В последующие десятилетия аустовая закалка произвела революцию в пружинной промышленности, за которой последовали зажимы и хомуты. Эти компоненты, которые обычно представляют собой тонкие формованные детали, не требуют дорогих сплавов и, как правило, обладают лучшими упругими свойствами, чем их закаленные мартенситные аналоги. В конечном итоге аустовая закалка вошла в автомобильную промышленность, где одним из первых ее применений было изготовление критически важных для безопасности компонентов. Большинство кронштейнов автомобильных сидений и компонентов ремней безопасности изготовлены из аустовой закаленной стали из-за ее высокой прочности и пластичности. [4] Эти свойства позволяют ей поглощать больше энергии во время столкновения без риска хрупкого разрушения. В настоящее время аустовая закалка также используется в подшипниках, лезвиях газонокосилок, трансмиссионных передачах, волновых пластинах и зубьях аэрации дерна. [4] Во второй половине 20-го века процесс аустенизации начал применяться в коммерческих целях к чугунам. Аустенизированный ковкий чугун (ADI) был впервые коммерциализирован в начале 1970-х годов и с тех пор стал крупной отраслью промышленности.
Наиболее заметное различие между аустенизацией и обычной закалкой и отпуском заключается в том, что она включает в себя выдержку заготовки при температуре закалки в течение длительного периода времени. Основные этапы одинаковы, независимо от того, применяются ли они к чугуну или стали, и заключаются в следующем:
Для того чтобы произошло какое-либо превращение, микроструктура металла должна быть аустенитной. Точные границы области фазы аустенита зависят от химии сплава, подвергаемого термообработке. Однако температуры аустенизации обычно находятся в диапазоне от 790 до 915 °C (от 1454 до 1679 °F). [5] Количество времени, проведенного при этой температуре, будет варьироваться в зависимости от сплава и особенностей процесса для детали со сквозной закалкой. Наилучшие результаты достигаются, когда аустенизация достаточно длительная для получения полностью аустенитной микроструктуры металла (в чугунах все еще будет присутствовать графит) с постоянным содержанием углерода. В сталях это может занять всего несколько минут после достижения температуры аустенизации по всему сечению детали, но в чугунах это занимает больше времени. Это связано с тем, что углерод должен диффундировать из графита, пока он не достигнет равновесной концентрации, определяемой температурой и фазовой диаграммой. Этот этап может быть выполнен во многих типах печей, в высокотемпературной соляной ванне или с помощью прямого пламени или индукционного нагрева . Многочисленные патенты описывают конкретные методы и вариации.
Как и при обычной закалке и отпуске, материал, подвергаемый термообработке, должен быть охлажден от температуры аустенизации достаточно быстро, чтобы избежать образования перлита . Удельная скорость охлаждения, необходимая для предотвращения образования перлита, является продуктом химии фазы аустенита и, следовательно, обрабатываемого сплава. Фактическая скорость охлаждения является продуктом как жесткости закалки, на которую влияют закалочная среда, перемешивание, нагрузка (соотношение закалочной среды и т. д.), так и толщина и геометрия детали. В результате более тяжелые компоненты сечения требуют большей прокаливаемости. При закалке закалка термической обработки осуществляется до температуры, которая обычно выше начала мартенсита аустенита, и выдерживается. В некоторых запатентованных процессах детали закаливаются чуть ниже начала мартенсита, так что полученная микроструктура представляет собой контролируемую смесь мартенсита и бейнита.
Два важных аспекта закалки — это скорость охлаждения и время выдержки. Наиболее распространенной практикой является закалка в ванне с жидкой нитритно-нитратной солью и выдержка в ванне. Из-за ограниченного температурного диапазона обработки обычно невозможно закаливать в воде или рассоле, но для узкого температурного диапазона используются высокотемпературные масла. Некоторые процессы включают закалку и последующее удаление из закалочной среды, затем выдержку в печи. Температура закалки и выдержки являются основными параметрами обработки, которые контролируют конечную твердость и, следовательно, свойства материала.
После закалки и выдержки опасность растрескивания отсутствует; детали обычно охлаждаются на воздухе или непосредственно помещаются в систему мойки при комнатной температуре.
После аустэмпинга отпуск не требуется, если деталь полностью закалена и полностью преобразована либо в бейнит, либо в аусферрит. [5] Отпуск добавляет еще один этап и, следовательно, стоимость процесса; он не обеспечивает такого же изменения свойств и снятия напряжений в бейните или аусферрите, как в чистом мартенсите.
Аустенизация предлагает множество преимуществ в производстве и производительности по сравнению с обычными комбинациями материалов/процессов. Она может применяться к многочисленным материалам, и каждая комбинация имеет свои собственные преимущества, которые перечислены ниже. Одним из преимуществ, общих для всех аустенизированных материалов, является более низкая скорость деформации, чем при закалке и отпуске. Это может быть преобразовано в экономию средств путем корректировки всего производственного процесса. Самая непосредственная экономия средств достигается путем обработки перед термической обработкой. Существует много таких экономий, возможных в конкретном случае преобразования закаленного и отпущенного стального компонента в аустенизированный ковкий чугун (ADI). Ковкий чугун на 10% менее плотный, чем сталь, и может быть отлит в форме, близкой к чистой, обе характеристики снижают вес отливки. Литье в форме, близкой к чистой, также дополнительно снижает стоимость обработки, которая уже снижена при обработке мягкого ковкого чугуна вместо закаленной стали. Более легкая готовая деталь снижает расходы на перевозку, а оптимизированный производственный поток часто сокращает время выполнения заказа. Во многих случаях прочность и износостойкость также могут быть улучшены. [4]
Комбинации процесса/материала включают:
Что касается улучшения эксплуатационных характеристик, то закаленные материалы обычно сравнивают с традиционно закаленными и отпущенными материалами с микроструктурой отпущенного мартенсита.
В сталях с твердостью выше 40 Rc эти улучшения включают:
В чугунах (от 250 до 550 HBW ) эти улучшения включают: