Остаточный аустенит и криогенная обработка: когда обработка ниже нуля окупается

Что такое остаточный аустенит

Закалка превращает аустенит в мартенсит между температурами начала мартенситного превращения (Ms) и конца мартенситного превращения (Mf). В обычных низкоуглеродистых сталях Mf находится выше комнатной температуры, и превращение завершается. В высокоуглеродистых и высоколегированных сталях — инструментальных сталях, цементуемых марках, подшипниковых сталях — содержание углерода и легирующих элементов снижает Ms и Mf, и часть аустенита просто никогда не превращается: остаточный аустенит, мягкая фаза, смешанная в закалённую структуру.

Количества широко варьируются в зависимости от марки и практики аустенитизации; в высоколегированных инструментальных сталях, закалённых с верхней части их температурного диапазона, сообщаются цифры от нескольких процентов до примерно 20–30%.

Почему это важно

• Твёрдость и износ: остаточный аустенит мягче мартенсита, поэтому избыточные количества стоят твёрдости и характеристик контактной усталости (подшипниковые стали специфицируются жёстко именно по этой причине).
• Размерная стабильность: остаточный аустенит метастабилен. Он может превратиться позже — под напряжением, теплом от шлифования или изменением температуры — и превращение расширяет деталь. Калибры, прецизионные штампы и компоненты подшипников, которые выходят за пределы допуска в эксплуатации, являются классическим симптомом.
• Это не всё плохо: небольшое, контролируемое количество может принести пользу вязкости и поведению при контакте качения, а один лишь отпуск превращает большую его часть (см. ниже).

Средства, по порядку

1. Отпуск. Правильно выбранный отпуск (а для инструментальных сталей второй отпуск) разлагает остаточный аустенит и отпускает полученный свежий мартенсит. Для многих инструментов этого достаточно, и обработка холодом не нужна.
2. Обработка ниже нуля — охлаждение свежезакалённой детали примерно до −70 до −85 °C (диапазон сухого льда или механического охлаждения) и кратковременная выдержка, приближающая превращение ближе к Mf. Широко используется для подшипниковых и цементованных компонентов.
3. Глубокая криогенная обработка — охлаждение до температур жидкого азота, около −196 °C, с медленным контролируемым охлаждением и нагревом, обычно выдерживается в течение многих часов и всегда сопровождается отпуском. Помимо завершения превращения аустенита, утверждается, что глубокая криогенная обработка способствует очень мелкому выделению карбидов в инструментальных сталях; польза для размерной стабильности хорошо установлена, тогда как размер пользы для срока службы при износе варьируется в зависимости от марки и исследования.

Правила последовательности, которые определяют успех

• Обрабатывайте незамедлительно после закалки — у задержанных деталей может стабилизироваться аустенит, а детали под напряжением могут треснуть, если их оставить в состоянии после закалки.
• Охлаждайте и нагревайте постепенно; тонкие сечения и сложные штампы чувствительны к термическому удару в обоих направлениях.
• Всегда отпускайте после этого. Свежий мартенсит, образованный на холоде, неотпущен и хрупок; криогенный цикл, который заканчивается при комнатной температуре без отпуска, сделал деталь хуже.

Когда это окупается

Обработка ниже нуля или криогенная обработка окупает свои затраты на: прецизионных калибрах и эталонах, высококачественных режущих и формовочных инструментах, компонентах подшипников с жёсткими ограничениями по остаточному аустениту и штампах, чьи допуски не могут поглотить рост в эксплуатации. Для деталей общего машиностроения из среднеуглеродистых сталей — которые изначально сохраняют мало аустенита — она добавляет затраты без механизма их окупаемости.