Cфероидизация цементита в стали

Форма цементита в сталях

Цементит присутствует в большинстве сталей, причем:
— в доэвтектоидных сталях – в виде тонких пластин перлита;
— в заэвтектоидных сталях – в виде тонких пластин перлита, а также в виде толстых пластин и глобулей по границам аустенитных зерен.

Эти формы цементит принимает, когда аустенит превращается в перлит при температуре Аr1 и когда он зарождается на границах аустенитных зерен в заэвтектоидных сталях при температуре Аcm. Существует, однако, возможность термически обработать сталь так, что бы изменить форму цементита – получить цементит в виде сферических частиц.

Цементит является очень твердым, но и очень хрупким. Когда цементит принимает форму изолированных сфер – глобулей – в матрице, например, феррита или отпущенного мартенсита, то механические свойства стали становятся близкими к свойствам матричной фазы:
— мягкой и хорошо обрабатываемой резанием с ферритной матрицей и
— прочной и менее хрупкой с мартенситной матрицей.

Для получения сфероидизированной цементитной структуры в основном применяют два процесса термической обработки стали:
1) закалка на мартенсит и высокий отпуск;
2) неполный отжиг.

Сфероидизация цементита: закалка и высокий отпуск

В первом процессе сталь просто нагревают до полностью аустенитного состояния и затем закаливают на мартенсит. Затем стали обоих типов – доэвтектоидные и заэвтектектоидные – нагревают до температуры чуть ниже точки А1, выдерживают в течение примерно одного часа и охлаждают. В результате в ферритной матрице возникают мелкие сферы цементита.

Мартенсит при комнатной температуре не является стабильной фазой – поэтому его нет на фазовой диаграмме – и при повышенной температуре он распадается на мелкие карбиды (цементит) в ферритной матрице. Для заэвтектоидных сталей сферодизизацию цементита получают в мартенситной или бейнитной матрице путем нагрева закаленной стали до температуры между точками А1 и Аcm в течение примерно одного часа. В этом случае мартенисит распадается на мелкие карбиды в аустенитной матрице. Затем из аустенита формируется мартениситная или бейнитная матрица путем его закалки с необходимой скоростью охлаждения. Объемная доля сфероидизированного цементита в стали зависит от температуры одночасовой выдержки – максимальное количество при температуре чуть выше А1 до почти нулю при температуре чуть ниже Аcm.

Сфероидизация неполным отжигом

Второй способ является наиболее эффективным для заэвтектоидных сталей. Он не требует закалки и поэтому применяется в промышленности для получения сфероидизированных структур цементита плюс феррита в тех сталях, которые поставляются непосредственно с прокатных станов.

В этом способе применяют прием, которые предотвращает образование перлита при охлаждении аустенита ниже температуры А1. Прием заключается в том, чтобы получить малые частицы цементита в аустените и затем охладить его ниже температуры А1 с низкой скоростью – обычно немного медленнее, чем просто охлаждение на воздухе. Такая обработка вынуждает аустенит превращаться прямо в сфероидизированную цементитно-ферритную структуру, а не структуру пластинчатого перлита. Такое превращение иногда называют раздельным эвтектоидным превращением.

Малые частицы цементита естественным образом образуются в аустените заэвектоидной стали, когда она нагревается выше А1 и ниже Аcm. Эксперименты показывают, что это происходит тогда, когда исходная сталь не содержит крупных частиц цементита – например, содержит перлит, бейнит, мартенсит или уже сфероидизированную феррито-цементитную структуру. Кроме того, сталь не нагревают выше примерно 800-840 ºС для того, чтобы раздельное эвтектоидное превращение могло доминировать над перлитным превращением.

Этот способ будет работать и с доэвтектоидными сталями, но в этом случае он требует более жесткого контроля. Дело в том, что когда доэвтектоидная сталь нагревается выше А1, то цементитные пластины в его перлите полностью превращаются в аустенит очень быстро. Поскольку этот метод требует присутствия цементита при охлаждении аустенита, то доэвтектоидные стали нельзя долго держать при температуре выше температуры А1 перед тем как охлаждать их на сфероидизированную структуру. Эффективным путем достижения сфероидизации в доэвтектодной стали является циклирование стали примерно на 50 ºС выше и ниже точки А1 несколько раз.

Сфероидизация заэвтектоидной подшипниковой стали

На рисунке 1 показана сфероидизированная структура заэвтектоидной стали на примере подшипниковой американской стали 52100 (аналога стали ШХ15) , которая была получена способом неполного отжига, описанным выше. Сталь первоначально была в перлитном состоянии, причем весь цементит был в перлите. Сталь затем держали при температуре 795 ºС в течение 30 минут и охлаждали с печью до 680 ºС со скоростью 370 ºС/час для завершения раздельного эвтектоидного превращения. Затем сталь охлаждали до комнатной температуры. Медленное охлаждение до температуры 680 ºС заставило аустенит превращаться в смесь феррит+цементит по механизму раздельного эвтектоидного пресращения, а не перлитного превращения. В итоге сформировалась полностью сфероидизированная структура  с очень мелкими цементитными частицами в ферритной матрице.

 

stal-52100Рисунок – Электронная микрофотография сфероидизированной структуры американской подшипниковой стали 52100 (отечественный аналог – сталь ШХ15): мелкие сферические цементитные частицы в ферритной матрице.
Исходное увеличение – 6000х.

Сфероидизированная структура для обработки резанием

Примеры сфероидизированных сталей относятся в основном к заэвтектоидным сталям, таким как подшипниковые стали, которые поставляются от изготовителя со сфероидизированной структурой цементита в ферритной матрице. Это делается для облегчения механической обработки этой стали резанием. Кроме того, подшипниковые и инструментальные стали часто применяют для изделий, которые требуют повышенной износостойкости. Для этого эти стали термически обрабатывают, чтобы получить сфероидизированную структуру путем контролированного охлаждения стали со структурой мелкодисперсного перлита, бейнита или отпущенного мартенсита.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007