Рост аустенитного зерна в стали при индукционном нагреве

В. Д. ЗЕЛЕНОВА, Г. А. ОСТРОВСКИЙ, К. 3. ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 6. 1963 г.

В закаленной и отпущенной стали с мартенситной структурой сохраняются границы зерна аустенита, полученного при нагреве [1]. Эти границы в закаленной стали могут быть выявлены специальными методами травления [2]. Зерно аустенита влияет на прочность и вязкость стали с мартенситной структурой. Кроме того, размер аустенитного зерна существенно влияет на прокаливаемость материала. Таким образом, регулирование величины зерна является необходимым условием для получения изделий с заданными свойствами.

В настоящее время на ряде заводов шестерни среднего модуля закаливаются с индукционного нагрева [3]—[5]. В этом случае необходимо иметь мелкое зерно для понижения прокаливаемости (в целях получения вязкой сердцевины) и для повышения прочности [6].

В настоящей работе было исследовано влияние режимов индукционного нагрева и свойств стали на кинетику роста аустенитного зерна. Аустенитное зерно выявлялось травлением закаленных образцов в насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с добавлением 1 % солей синтетических жирных спиртов [13].

Рост зерна аустенита при индукционном нагреве. Метод индукционного нагрева позволяет получать аустенит с очень мелким начальным зерном, которое получается при завершении α+γ-превращения [7]. Начальное зерно в доэвтектоидной стали образуется в момент исчезновения феррита, когда аустенитные зерна сходятся внутри ферритных участков. Вероятно, размеры ферритных участков определяют размеры начального зерна аустенита [8].

Мы исследовали зависимость величины начального зерна аустенита от величины ферритных участков в исходной структуре при индукционном нагреве. Оказалось, что для стали с 0,5% С при изменении среднего размера ферритного участка в исходной структуре от 5 до 11 мк средний диаметр начального зерна аустенита увеличивается от 6 до 11 мк, что соответствует изменению по шкале ГОСТа от 12 до 10 балла. Большое значение для индукционного нагрева имеет зависимость размера начального зерна от скорости нагрева под закалку.

Зависимость начального зерна аустенита от скорости нагрева была исследована на образцах стали 40. Нагревали образцы под закалку (в области фазовых превращений) со скоростью 8, 200 и 1000 град/сек (в производственных условиях используются скорости нагрева до 300 град/сек). Для сопоставления определяли размер начального зерна аустенита для той же стали при быстром (2 град/сек) и медленном (0,03 град/сек) печном нагреве. Быстрый печной нагрев осуществляли в печи, нагретой до 950 °С. Образцы толщиной 1,2 мм закаливали с температур, близких к точке Ас₃.

Для различных скоростей нагрева величину зерна определяли на образцах, закаленных с наиболее низкой температуры, при которой в структуре отсутствовал феррит, т. е. устанавливался начальный размер зерна аустенита. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Метод нагрева	Скорость нагрева в град/сек	Температура в  °	Средняя площадь аустенитного зерна в мк
Печной	0,03	825	60
	2	830	40
Индукционный	8	830	30
	200	870	28
	1000	900	29

В случае индукционного нагрева средний размер начального аустенитного зерна, образовавшегося при скоростях нагрева 8, 200, 100 град/сек и температурах соответственно 830, 870 и 900  °С, оказался одинаковым. Таким образом, величина начального зерна практически не зависит от скорости индукционного нагрева (при увеличении скорости нагрева от 8 до 1000 град/сек).

При быстром печном нагреве (2 град/сек) в области фазовых превращений величина начального зерна близка к величине начального зерна при индукционном нагреве. Медленный печной нагрев приводит к получению более крупных зерен аустенита, что связано с длительным (около 1 ч) пребыванием образца в области температур фазовых превращений.

Исследование показало, что начальное аустенитное зерно при индукционном нагреве для нормализованной углеродистой стали с содержанием углерода 0,35-0,65 % соответствует баллу 10 и выше. На рис. 1 показаны кривые роста зерна стали с увеличением температуры индукционного нагрева при различных скоростях нагрева.

Рис.1. Действительное зерно аустенита стали 40 в зависимости от температуры и скорости индукционного нагрева:
1 — 8 град/сек; 2 — 200 град/сек; 3 — 1000 град/сек.

Если размер начального зерна при индукционном нагреве не зависит от скорости нагрева, то дальнейший рост уже образовавшегося зерна существенно зависит от скорости нагрева. Это объясняется суммарным воздействием времени и температуры. При одинаковой температуре нагрева меньшая скорость нагрева приводит к большой величине зерна, что связано со значительной скоростью роста зерна в начальный период изотермической выдержки [9].

Таким образом, при индукционном нагреве возможен значительный рост аустенитного зерна, если технология обработки требует достаточно продолжительной выдержки при температурах выше точки Ас₃. Для того чтобы избежать получения крупного зерна при индукционном нагреве, применяются наследственно мелкозернистые стали [6].

Рост аустенитного зерна при индукционном нагреве мелкозернистых сталей. Кинетика роста аустенитного зерна при индукционном нагреве наследственно мелкозернистых сталей имеет специфические особенности.

Химический состав исследуемых плавок мелкозернистой стали, различающихся по величине устойчивого аустенитного зерна, приведен в табл. 2. Изменение размера аустенитного зерна для трех плавок мелкозернистой стали при индукционном нагреве со скоростью 3 град/сек показано на рис. 2.

Таблица 2

№ плавки	Размер аустенитного зерна, устойчивого при печном нагреве, в мк2	Химический состав в %
		C	Mn	Cr	Si
1	800	0,63	0,13	0,04	0,10
2	280	0,58	0,14	0,05	0,16
3	40	0,55	0,15	0,04	—
4	650	0,60	0,14	0,05	0,18

Плавки отличаются по характеру температурной зависимости размера зерна. На кривых 1 и 2 можно отметить три этапа изменения размера зерна с повышением температуры. На первом этапе образовавшееся начальное зерно возрастает до некоторой устойчивой величины. В тех плавках мелкозернистой стали, в которых размер устойчивого зерна совпадает с начальным, первый этап отсутствует (кривая 3, рис. 2).

Рис.2. Действительное зерно аустенита наследственно мелкозернистых сталей в зависимости от температуры индукционного нагрева (скорость нагрева 3 град/сек):
1 — плавка 1; 2 — плавка 2; 3 — плавка 3 (табл.2).

Рост зерна от начального размера до устойчивого является особенностью кривой роста зерна мелкозернистых сталей с температурой при индукционном нагреве. При обычных режимах печного нагрева мелкозернистой стали образуется устойчивое зерно и первого этапа, роста зерна не наблюдается. На втором этапе зерно при повышении температуры не изменяется. Размер устойчивого зерна при индукционном нагреве различен для различных плавок мелкозернистой стали и совпадает с размером устойчивого зерна при печном нагреве (см. табл. 2). На третьем этапе наблюдается дальнейший рост зерна. При увеличении скорости индукционного нагрева мелкозернистых сталей начало и конец второго этапа зерна происходит при более высоких температурах.

Следует отметить, что причины стабилизации зерна в наследственно мелкозернистых сталях недостаточно изучены. В работах [10], [11] указано, что препятствия для роста зерна возникают непосредственно в процессе α→γ-превращения. Все большее распространение получает гипотеза «барьеров» [12], согласно которой в нормализованной наследственно мелкозернистой стали уже существуют выделения, ограничивающие при нагреве рост кристаллитов. Рост зерна от начального до устойчивого подтверждает гипотезу «барьеров» и не может быть объяснен теорией образования препятствий для роста зерна в процессе α→γ-превращения.

Из рассмотрения кинетики роста аустенитного зерна мелкозернистых сталей при индукционном нагреве можно заключить, что применение таких сталей дает возможность получить мелкое зерно при различных температурах и скоростях нагрева. При температурно-временных условиях нагрева, при которых наблюдаются первый и второй этапы роста зерна, получаются мелкие кристаллиты аустенита (8—11-й балл).

Влияние величины зерна на прокаливаемость. На рис. 3 для одной плавки мелкозернистой стали представлена зависимость размера зерна и глубины закаленного слоя от температуры индукционного нагрева при скорости 3 град/сек.

Рис.3. Действительное аустенитное зерно и прокаливаемость наследственно мелкозернистой стали в зависимости от температуры индукционного нагрева (плавка 2, табл. 2); скорость нагрева 3 град/сек):

Характер изменения прокаливаемости наследственно мелкозернистой стали при повышении температуры индукционного нагрева аналогичен изменению величины зерна: прокаливаемость увеличивается с температурой при подрастании зерна от начального до устойчивого, стабилизируется в области температур устойчивого зерна и продолжает расти при увеличении температуры на третьем этапе.

Изменение размера зерна может в большей или меньшей степени влиять на прокаливаемость в зависимости от плавки. На рис.4 показана зависимость прокаливаемости от удельной поверхности аустенитных зерен для трех плавок мелкозернистой стали.

Рис.4. Идеальный критический диаметр в зависимости от удельной поверхности зёрен аустенита наследственно мелкозернистых сталей:
1 — плавка 4; 2 — плавка 1; 3 — плавка 2 (табл.2).

Прокаливаемость определялась но распределению твердости по сечению закаленного цилиндра диаметром 15 мм и пересчитывалась на идеальный критический диаметр.

При величине зерна 7-11 баллов наблюдается линейная зависимость между идеальным критическим диаметром и удельной поверхностью аустенитных зерен. С уменьшением размера зерна прокаливаемость уменьшается. Угол наклона прямой характеризует влияние единицы удельной поверхности на прокаливаемость для данной плавки стали. Каждая плавка характеризуется своим углом наклона этой прямой. Это, по-видимому, связано с различной дисперсностью и количеством выделений, а также с отличиями в химическом составе отдельных плавок стали.

Влияние величины зерна на статическую прочность при изгибе закаленной стали. Влияние величины зерна на статическую прочность при изгибе исследовали на стали 55ПП [6]. Испытанию подвергали пластины размером 3×12×80 мм. Образцы нагревались до различных температур (скорость нагрева 3 град/сек) и охлаждались водяным душем. Малая толщина образцов обеспечивала во всех случаях сквозную закалку. После такой обработки образцы отпускались при 150 °С. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что увеличение площади зерна в 2 раза приводит к падению прочности на 30 %. Эти результаты соответствуют данным, полученным в работе [2] для инструментальных сталей.

Таблица 3

Температура нагрева под закалку,  °C (скорость нагрева 3 град/сек)	Размер аустенитного зерна		σизг, кг/мм2
	мк2	балл
820	40	11	290
950	50	11	245
1050	80	10	205

Выводы:
1. Минимальный размер зерна при индукционном нагреве определяется начальным аустенитным зерном, величина которого зависит от дисперсности исходной структуры.

2. Скорость индукционного нагрева при 8-1000 град/сек не влияет на размер начального зерна.
Дальнейший рост кристаллитов аустенита при повышении температуры существенно зависит от скорости нагрева: малые скорости и высокие температуры индукционного нагрева могут привести к значительному росту зерна.

3. Применение наследственно мелкозернистых сталей дает возможность расширить интервал температур и скоростей индукционного нагрева, при которых может быть получено мелкое аустенитное зерно.

Уменьшение величины действительного аустенитного зерна от 8 до 12-го балла приводит к уменьшению прокаливаемости и значительному повышению прочности стали, имеющей мартенситную структуру. При этом мелкое аустенитное зерно и соответствующие свойства закаленной стали могут быть получены как на малых, так и на больших скоростях нагрева.

4. Применение мелкозернистых сталей и использование оптимальных режимов индукционного нагрева является существенным резервом повышения прочности деталей машин.

Список литературы:

1. Архаров В. И. Кристаллография закаленной стали. Металлургиздат, 1951.
2. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. Металлургиздат, 1961.
3. Шепеляковский К. 3. Поверхностная закалка при индукционном нагреве тяжелонагруженных деталей машин из
стали пониженной прокаливаемости. Издание ЦИТЭИНа, № М-61-458/17, 1961.
4. Натанзон Е. И. «Автомобильная промышленность», 1962, № 8.
5. Шепеляковский К. 3. «Автомобильная промышленность», 1962, № 10.
6. Шепеляковский К. 3. «МиТОМ», 1962, № 2.
7. Кидин И. Н. Термическая обработка стали при индукционном нагреве. Металлургиздат, 1950.
8. Гроссман М. А Основы термической обработки, ГНТИ, 1946.
9. Hanemann H., Schra d e r A. Atlas Metaillograplhicus, 1936.
10. Камeнeцкая Д. С., Пилецкая И. Б. Проблемы металловедения и физики металлов. Вып. 4. Металлургиздат, 1955.
11. Dorn I., Harder О. „TASM», 1938, v. 26.
12. Wооdjine В., Gaurra11 A. «Journal of the Iron and Steel Institute», 1960, v. 196.
13. Абрамова В. П. «Заводская лаборатория», 1962, № 5.