Wytwarzanie bainitu bezwęglikowego w warstwie wierzchniej stali chromowo-krzemowo-manganowej po nawęglaniu próżniowym

W pracy podjęto próbę wytworzenia struktury bainitu bezwęglikowego w warstwie wierzchniej stali 35CrSiMn5-5-4 poddanej nawęglaniu próżniowemu i hartowaniu z przystankiem izotermicznym w zakresie bainitycznym. Bainit bezwęglikowy otrzymywany w dolnym zakresie przemiany bainitycznej ma bardzo dobre parametry wytrzymałościowe ze względu na strukturę o submikronowej lub nanometrycznej wielkości ziaren. Jednocześnie brak wydzieleń cementytu na granicach oraz obecność austenitu szczątkowego w postaci cienkich warstw między płytkami bainitu zapewnia stali dużą odporność na pękanie. Wytworzenie struktury bainitu bezwęglikowego z austenitem szczątkowym powyżej 12% obj. jest możliwe w stalach o podwyższonej zawartości krzemu i manganu oraz koncentracji węgla w zakresie 0,6÷1,1% mas. W celu wzbogacenia warstwy powierzchniowej stali w węgiel do pożądanego poziomu zastosowano proces nawęglania próżniowego. Następnie przeprowadzono austenityzację stali i hartowanie z przystankiem izotermicznym w temperaturze nieco powyżej temperatury początku przemiany martenzytycznej Ms. W artykule przedstawiono wyniki badań mikrostruktury wykonane za pomocą skaningowego (SEM) i transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Na podstawie badań TEM: obserwacji w jasnym i ciemnym polu oraz dyfrakcji elektronów, połączonych z metodami stereologicznymi oszacowano wymiary oraz zawartość poszczególnych faz zarówno w warstwie, jak i w rdzeniu badanej próbki. Przedstawiono również badania mikrotwardości oraz odporności na ścieranie w odniesieniu do konwencjonalnej obróbki cieplnej hartowania martenzytycznego i niskiego odpuszczania. Uzyskane właściwości nawęglonej warstwy wierzchniej o strukturze bainitu bezwęglikowego pokazują, iż hartowanie z przystankiem izotermicznym może być konkurencyjne w porównaniu z obróbką konwencjonalną.

---

This paper describes the process of producing the carbon-free bainitic structure in the surface layer of the 35CrSiMn5-5-4 steel subjected to vacuum carburization followed by austempering heat treatment. It was proved that the low temperature austempering allows obtaining a structure composed of nanometric or submicron width laths of carbide-free bainitic ferrite separated by thin layers of retained austenite. The nanocrystalline structure of bainitic ferrite results in high strength, while the appropriate content of the retained austenite guarantees good plasticity and high fracture toughness. Carbidefree bainite, with volume fraction of retained austenite above 12%, can be produced in steels, which contain high amount of silicon, manganese and 0.6÷1.1% of carbon. This level of carbon concentration has been reached in a surface layer of 35CrSiMn5-5-4 steel by vacuum carburization treatment. This steel was subsequently austenitized, quenched to the temperature slightly above the martensite start temperature Ms, and annealed at this temperature for a time necessary to complete the bainitic transformation. The microstructural characterization of steel after heat treatment was performed by the use of scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopes. TEM techniques: bright field, dark field and the diffraction patterns analyses combined with stereological measurement methods were used to determine the volume fraction and dimensions of the observed phases in the surface layer and in the core of the sample. Microhardness and wear resistance of two kinds of steel samples were investigated: the one subjected to austempering and the other subjected to a conventional treatment. The results show that austempering can be a competitive method in comparison to a conventional heat treatment for steels after carburization treatment.