Многие инструментальные производства нуждаются в недорогой, но эффективной технологии безокислительной и необезуглероживающей чистой закалки. Научно-производственная компания «Накал» поставляет закалочные комплексы, оснащенные системой подачи защитной атмосферы, состоящей из азота ОС-4 (чистотой 99,99%) с добавкой 4,5–5% CH4. Смесь поставляется в 40 л баллонах непосредственно с печью. Защитная атмосфера поступает в жаропрочный ящик, в который загружаются изделия. После продувки ящика с изделиями в течение 10 минут при расходе смеси (N2 + CH4) около 40 л/ч он загружается в печь для нагрева изделий под закалку. В процессе нагрева, выдержки и вплоть до загрузки изделий в закалочную ванну они находятся в защитной атмосфере.
С целью эффективности защитного воздействия атмосферы азота с добавкой метана при термической обработке различных сталей проведено исследование глубины обезуглероживания при нагреве образцов из сталей 40Х, 60С2 и 9ХС при нагреве в воздушной атмосфере и защитной атмосфере N2 + CH4 по одним и тем же температурно-временным параметрам. Термическую обработку образцов проводили в печи ПКМ 3.6.2/11-ЗК (закалочный комплекс для безокислительной закалки). Все образцы для исследования были термообработаны по одинаковому режиму (860°C, 45 мин., закалка в масло) в воздушной атмосфере и при подаче смеси N2 + CH4 в количестве 60 л/ч и 120 л/ч.
Методика исследования
После термообработки на образцах были приготовлены микрошлифы в сечении перпендикулярном поверхности. Микроструктуру металла выявляли травлением в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты.
Изучение микрошлифов проводили на металлографическом микроскопе Нефот-21. Микротвердость образцов измеряли на приборе М-400 фирмы «ЛЕКО» (ФРГ) при нагрузках от 100 г до 1000 г. Глубину обезуглероживания определяли металлографическим (микроскопическим) методом с использованием окуляр-микрометра и методом измерения микротвердости.
Результаты исследования
Типичные фотографии микроструктуры исследованных образцов приведены на рисунке, а результаты измерений глубины обезуглероживания обобщены в таблице.
Сравнение данных, полученных, для трех исследованных сталей при нагреве в воздушной атмосфере показывает, что в образцах всех сталей наблюдаются зоны полного и частичного обезуглероживания. При этом с увеличением содержания углерода в сталях общая глубина обезуглероживания уменьшается от 0,25 мм для стали 40Х до 0,09 мм для стали 9ХC при измерении микроскопическим методом и соответственно от 0,35 до 0,19 мм при измерении методом микротвердости. Метод измерения микротвердости позволяет более точно определить глубину обезуглероживания в закаленных сталях, поскольку градиент содержания углерода практически не влияет на вид микроструктуры в зоне частичного обезуглероживания, но выявляется при измерении твердости. Применение защитной атмосферы N2 + CH4 с расходом 60 л/ч позволяет практически исключить полное обезуглероживание и значительно уменьшает частичное обезуглероживание. Общая глубина обезуглероживания, измеренная методом микротвердости, при этих условиях нагрева уменьшается почти в 2 раза (см. табл.).
При увеличении расхода защитной атмосферы до 120 л/ч глубина обезуглероживания образцов стали 60C2 уменьшается почти в 3 раза (до 0,13 мм), а образцов стали 9ХС – в 6 раз (до 0,03 мм). Полученные результаты позволяют заключить , что использование смеси N2 + CH4 при нагреве сталей с содержанием углерода от 0,4% до 0,9% (конструкционных, рессорно-пружинных и инструментальных) под закалку обеспечивает эффективную защиту от обезуглероживания.
Микроструктура образца из стали 40Х после термообработки по режиму 860°C, 45 мин., закалка в масло, нагрев в воздушной атмосфере: а – у поверхности; б – в середине; х200.
| Марка стали | № образца | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Режим термической обработки | Микроскопическое измерение | Измерение методом микротвердости | |||||||
| температура, °C | время выдержки, мин. | охлаждающая среда | расход N2 + 5%CH4, л/ч | полное обезугл., мм | частичное обезугл., мм | общая глубина обезугл., мм | общая глубина обезугл., мм | ||
| 40X | 1 | 860 | 45 | масло | 0 | 0,11 | 0,14 | 0,25 | 0,35 |
| 60C2 | 4 | 860 | 45 | масло | 0 | 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,33 |
| 5 | 860 | 45 | масло | 60 | - | 0,06 | 0,06 | 0,18 | |
| 5 | 860 | 45 | масло | 120 | - | 0,06 | 0,06 | 0,13 | |
| 9XC | 4 | 860 | 45 | масло | 0 | 0,07 | 0,02 | 0,09 | 0,19 |
| 4 | 860 | 45 | масло | 0 | - | 0,02 | 0,02 | 0,10 | |
| 4 | 860 | 45 | масло | 0 | - | >0,01 | >0,01 | 0,03 | |
Результаты измерений глубины обезуглероживания в исследованных образцах металлографическим методом и методом микротвердости
Микроструктура у поверхности (а – в) и в центре (г) образцов из стали 9ХС после термообработки по режиму 860°C, 45 мин., закалка в масло: а – нагрев в воздушной атмосфере; б – нагрев в атмосфере N2 + 5%CH4 с расходом смеси 60 л/ч, в – нагрев в атмосфере N2 + 5%CH4 с расходом смеси 120 л/ч. На рис. б, в микроструктура у поверхности показана при увеличениях х200 и х500.
