§ 5

§ 5. МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА СТАЛИ ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Поверхностная высокочастотная закалка. В большинстве случаев поверхностная высокочастотная закалка сопровождается самоотпуском,- тогда на поверхности образуется микроструктура из скрытокристаллического отпущенного

мартенсита (фиг. 49, а), в переходном слое из скрытокристаллического отпущенного мартенсита и выделений феррита (фиг. 49, б) и, наконец, в середине сохраняется исходная микроструктура из зерен перлита и сетки феррита (фиг. 49, в), отвечающая незакаленной стали 45. На фиг. 50, а — г показаны характерные макроструктуры рельса, шейки коленчатого вала, валика коробки передач, тормозного кулака и зубчатых колес после поверхностной высокочастотной закалки. В случае изготовления зубчатых колес из стали с очень малой прокаливаемостью, даже при закалке их не по обводу, а в простом индукторе, получается мартенситный слой по обводу (фиг. 50; д). При закалке зубчатых колес с большим модулем возможно применение фасонного индуктора и получение закаленного слоя по обводу (фиг. 50,а). В случае же закалки зубчатых колес из стали, например 40Х, простым "индуктором закаленного слоя у основания не образуется; тогда в опасном сечении, благодаря выходу переходного слоя на поверхность, образуются остаточные напряжения растяжения, вызывающие поломку зуба у основания, даже при небольших нагрузках в эксплуатации.

Сталь для поверхностной закалки должна иметь микроструктуру из перлита мелкого сложения и ферритной сетки (фиг. 50, з), перлит крупного сложения с грубыми сфероидизированными зернами цементита (фиг. 50, и) закаливается хуже и требует двукратной закалки. Очень невыгодна для высокочастотной закалки грубополосчатая микроструктура стали (фиг. 50, к), в которой после закалки остаются полосы феррита (фиг. 50, л), резко снижающие твердость закаленного1 слоя.

Хорошая микроструктура на поверхности стали после ее высокочастотной закалки должна быть или скрытокристаллическим, без заметной игольчатости мартенситом, или очень мелкоигольчатым мартенситом (фиг. 50, м).

Цементация. Микроструктура поверхности цементованной, но не закаленной стали состоит из перлита и тонкой сетки цементита (фиг. 51), которая по мере удаления от поверхности исчезает. Микроструктура переходного слоя состоит из перлита и феррита; площади, занимаемые перлитом, постепенно уменьшаются, а занимаемые ферритом увеличиваются, и микроструктура сердцевины (фиг. 51) состоит из феррита с небольшим количеством перлита и отвечает исходной структуре низкоуглеродистой стали, применяемой для цементации.

Микроструктура стали после цементации и закалки должна состоять из мартенсита (см. фиг. 40); наличие цементитной сетки (фиг. 52, а) и даже отдельных цементитных включений нежелательно, так как твердый цементит является концентратором напряжений и служит причиной начала образования усталостного разрушения. В сердцевине стали после закалки также желательно создание низкоуглеродистого вязкого мартенсита без феррита, снижающего механические свойства сердцевины. Наличие троостита закалки (фиг. 52, б) на поверхности цементованной и закаленной стали свидетельствует о низкой твердости металла.

Эталоны микроструктур стали 18ХГТ после цементации и закалки. Лабораторией Московского автомобильного завода им. Лихачева разработаны: шкала остаточного аустенита в поверхностном цементованном и закаленном слое стали 18ХГТ (фиг. 53) и шкала избыточных карбидов в этом слое (фиг. 54), позволяющие давать количественную оценку по баллам цементованных изделий при их приемке или направлять их на вторичную термическую обработку или браковать их.

Дробеструйный наклеп. Микроструктура поверхности низкоуглеродистой стали после дробеструйного наклепа (фиг. 55) обнаруживает тонкий (0,2—0,4 мм) деформированный слой с повышенными механическими свойствами и образовавшимися полезными напряжениями сжатия.

Фиг. 49. Микроструктура стали 45 после высокочастотной закалки с самоотпуском; х750 [22]: а - поверхность - скрытокристаллический отпущенный мартенсит; 6 - переходная зона - скрытокристаллический отпущенный мартенсит и феррит; в - сердцевина - зерна перлита и феррита.

Фиг. 50. Макро- и микроструктура стали после высокочастотной закалки (лаборатория ЗИЛ): а—рельс; б — шейка коленчатого вала; в—валик коробки передач; г—тормозной кулак; д—шестерня из стали с малой прокаливаемостью, закаленная в простом индукторе; е — крупная шестерня, закаленная по обводу фасонным индуктором; ж — шестерня, закаленная простым индуктором; з—сталь 50 со структурой перлита тонкого сложения (хорошо закаливается т. в. ч.); Х500 [30]; и — сталь 50 с грубой сферодоизованной структурой перлита, требующая двухкратной закалки т. в. ч.; х500 [30]; к — сталь 40 с грубополосчатой структурой; Х500; л —то же, после высокочастотной закалки с остатками феррита; м — нормальная микроструктура на поверхности стали 40 после высокочастотной закалки —мелковгольчатый мартенсит; х1000.

Фиг. 51. Сталь 20 после цементации, но после закалки

Фиг. 52. Пороки микроструктуры стали после цементации и закалки; х1000: а — карбидная сетка, остаточный аустенит и мартенсит на поверхности; б — троостит закалки и мартенсит на поверхности;

Фиг. 5З. Шкала остаточного аустенита в поверхностном цементованном и закаленном слое стали 18ХГТ (лаборатория ЗИЛ); х400; детали со структурой, соответствующей баллам 1—5 считаются годными, а со структурой соответствующей баллам 6—8, направвляются на повторную закалку и отпуск

Фиг. 55. Поверхность незакаленной низкоуглеродистси стали после дробеструйного наклепа; х250. Деформированный тонкий (0,2-0,4 мм) слой с повышенными механическими свойствами и полезными напряжениями сжатия.