Залишковий аустеніт і кріогенна обробка: коли обробка холодом нижче нуля окупається

Що таке залишковий аустеніт

Загартування перетворює аустеніт на мартенсит між температурами початку мартенситного перетворення (Ms) і кінця мартенситного перетворення (Mf). У звичайних низьковуглецевих сталях Mf перебуває вище кімнатної температури, і перетворення завершується. У високовуглецевих і високолегованих сталях — інструментальних сталях, марках для цементації, підшипникових сталях — вміст вуглецю та легуючих елементів знижує Ms і Mf, а частина аустеніту просто ніколи не перетворюється: залишковий аустеніт, м’яка фаза, змішана у загартовану структуру.

Кількості широко варіюються залежно від марки та практики аустенітизації; повідомляється про цифри від кількох відсотків до приблизно 20–30% у високолегованих інструментальних сталях, загартованих із верхньої частини їхнього температурного діапазону.

Чому це важливо

• Твердість і зношування: залишковий аустеніт м’якший за мартенсит, тому надмірні кількості коштують твердості та показників контактної втоми (підшипникові сталі вказуються жорстко саме з цієї причини).
• Стабільність розмірів: залишковий аустеніт метастабільний. Він може перетворитися пізніше — під напруженням, теплом шліфування або зміною температури, — а перетворення розширює деталь. Калібри, прецизійні штампи та компоненти підшипників, які виходять за допуск в експлуатації, є класичним симптомом.
• Це не все погано: невелика, контрольована кількість може принести користь в’язкості та поведінці за контактного кочення, а сам лише відпуск перетворює значну його частину (див. нижче).

Засоби, у порядку

1. Відпуск. Правильно обраний відпуск (а для інструментальних сталей — другий відпуск) розкладає залишковий аустеніт і відпускає отриманий свіжий мартенсит. Для багатьох інструментів цього достатньо, і холодна обробка не потрібна.
2. Обробка холодом нижче нуля — охолодження свіжозагартованої деталі приблизно до −70 до −85 °C (діапазон сухого льоду або механічного охолодження) та коротка витримка, що наближає перетворення ближче до Mf. Широко використовується для компонентів підшипників і цементованих компонентів.
3. Глибока кріогенна обробка — охолодження до температур рідкого азоту, приблизно −196 °C, з повільним контрольованим охолодженням і нагріванням, зазвичай витримується протягом багатьох годин і завжди супроводжується відпуском. Понад завершення перетворення аустеніту, стверджується, що глибока кріогенна обробка сприяє дуже дрібному виділенню карбідів в інструментальних сталях; користь для стабільності розмірів добре встановлена, тоді як розмір користі для ресурсу зношування варіюється залежно від марки та дослідження.

Правила послідовності, які визначають успіх

• Обробляйте негайно після загартування — деталі із затримкою можуть стабілізувати аустеніт, а напружені деталі можуть тріснути, якщо їх залишити у стані після загартування.
• Охолоджуйте та нагрівайте поступово; тонкі перерізи та складні штампи чутливі до теплового удару в обох напрямках.
• Завжди відпускайте після цього. Свіжий мартенсит, утворений на холоді, невідпущений і крихкий; кріогенний цикл, що закінчується за кімнатної температури без відпуску, зробив деталь гіршою.

Коли це окупається

Обробка холодом нижче нуля або кріогенна обробка виправдовує свою вартість на: прецизійних калібрах і еталонах, висококласних різальних і формувальних інструментах, компонентах підшипників із жорсткими межами залишкового аустеніту та штампах, чиї допуски не можуть поглинути зростання в експлуатації. Для деталей машин загального призначення із середньовуглецевих сталей — які для початку зберігають мало аустеніту, — вона додає вартість без механізму її повернення.