Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки.
Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.
Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической (рис.49). В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.
Рис. 49. Изменение скорости охлаждения по сечению детали
Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали (рис.50). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.
Рис. 50 Твердость полумартенситной зоны углеродистой стали.
Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра.
Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.
Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Прокаливаемость стали зависит главным образом от содержания легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения при закалке. Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прокаливаемость. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена. Кроме того прокаливаемость больше при увеличении размера зерна аустенита и повышении его химической однородности.
Закаливаемость и прокаливаемость сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.
Для определения прокаливаемости применяют стандартный метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под напором только с торца. После полного охлаждения по его образующей производят замер твердости, начиная от торца, и строят кривую прокаливаемости. Величину прокаливаемости определяют по расстоянию от торца до полумартенситной зоны (рис.51), твердость которой известна заранее по экспериментальным данным, и определяется в основном содержанием углерода.
Рис. 51. Изменение твердости по длине образца после торцевой закалки.
Определение критического диаметра для изделий простой формы (шар, цилиндр, параллепипед) может быть проведено с достаточно высокой точностью с помощью специальной номограммы (рис.52). Исходной физической характеристикой является расстояние до полумартенситной зоны, полученное экспериментально в результате торцевой закалки. Эта величина откладывается на шкале сверху номограммы. От этой точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения и из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения в воде, в масле, или на воздухе. А из этих точек опускаются перпендикуляры до шкал тела определенной формы расположенных внизу номограммы.
Рис. 52. Определение критического диаметра по данным торцевой закалки
площадки для замера твердости, позволяет проводить испытания на прокаливаемость в широком диапазоне скоростей охлаждения.
Еще более широкий диапазон скоростей охлаждения получается при торцовой закалке по методу Б. Е. Сомина. Образец, снабженный резьбой (рис. 167), и всю систему нагревают в печи до температуры закалки (время нагрева определяется условиями нагрева блока). Затем на приспособлении для торцовой закалки проводят охлаждение до полного остывания блока; условия охлаждения должны быть такими же, как и в случае стандартного испытания. После отделения образца от блока на образце сошлифовывают лыски по образующей и замеряют твердость через 1,5—3 мм на всей его расчетной длине (100 мм). По полученным данным строят кривую в координатах твердость — расстояние от охлаждаемого торца. В связи с тем, что при торцовой закалке по методу Сомина скорость охлаждения «горячего» конца образца может быть равней 0,2° С/сек этот метод применяют для исследования стали, обладающей повышенной прокаливаемостью.
Для испытания сталей мартенситного класса разработаны специальные приспособления с электрическим подогревом.
Прокаливаемость глубокопрокаливающихся сталей определяют методом, основанным на использовании термического
анализа и теплового моделирования (метод предложен А. Л. Немчинским); устройство, предложенное A. Л. Немчинским, показано на рис. 168. Форма образца, подвергаемого испытанию, связана с конфигурацией изделия: тепловой поток в образце и в изделии, в зависимости от расстояния от охлаждаемого торца, должен изменяться по одному закону. Для создания необходимого температурного поля применяют специальную тепловую изоляцию, которой покрывают образец со всех сторон, кроме поверхности, охлаждаемой закалочной средой. Этот метод позволяет осуществить охлаждение в любых средах, по различным режимам, что приближает условия испытания к реальным условиям закалки изделий. Кроме того, этот метод дает возможность записывать в процессе охлаждения температурную кривую, а после окончания испытания — изучать механические свойства стали и вид излома по всей длине образца, т. е. по всему сечению изделия.
б. Определение критической скорости закалки по результатам торцовой пробы
Для практического решения вопросов прокаливаемости и легирования стали весьма важно знать критические скорости закалки, т. е. наименьшие скорости охлаждения стали, необходимые для получения мартенситной структуры. Однако экспериментальное определение этой величины связано с применением безинерционных самозаписывающих приборов для снятия кривых охлаждения (скорость охлаждения порядка сотен градусов в секунду) и поэтому весьма затруднительно. Вследствие этого в настоящее время имеются только некоторые данные о влиянии углерода и легирующих элементов, полученные, однако, в тот период, когда не было известно определяющее влияние размера зерна аустенита.
Ниже описывается метод экспериментального определения критической скорости закалки по результатам торцовой пробы на прокаливаемость.
Изменение твердости в зависимости от расстояния до торца показано на рис. 169. Поскольку у конца мартенситной зоны (точка 2) кривая падает очень плавно, точно определить расстояние b трудно. Поэтому в качестве критерия прокаливаемости обычно принимают расстояние а от точки 1, соответствующей по твердости полумартенситной зоне. Однако для определения величины критической скорости необходимо точно определить расстояние именно до конца мартенситной зоны.
Эмпирическая зависимость между расстоянием до мартенситной и полумартенситной зон для стали с различным содержанием углерода, марганца, никеля, кремния и молибдена пока
Эмпирическая зависимость между расстоянием до мартенситной и полумартенситной зон для стали с различным содержанием углерода, марганца, никеля, кремния и молибдена пока
зана на рис. 170. Таким образом, при любой степени легированности можно определить расстояние до конца мартенситной зоны по известному значению расстояния до полумартенситной зоны.
При торцовой пробе на прокаливаемость скорости охлаждения распределяются в зависимости от расстояния до торца, как показано на рис. 171. Поэтому по экспериментально определенному расстоянию от торца до конца мартенситной зоны можно определить скорость охлаждения в данной точке, т. е. критическую скорость закалки.
Для более высокой точности построена расчетная кривая (рис. 172), связывающая расстояние от торца до полумартенсит-ной зоны с критической скоростью закалки (по зависимостям, показанным на рис. 170 и 171).
Определим верхнюю критическую скорость закалки по известному значению расстояния полумартенситной зоны от торца а = 4 мм. Как видно из рис. 172, критическая скорость равна
330°С/сек. Если а = 10 мм, то критическая скорость закалки стали равна 110° С/сек и т. д.
Предложенный метод, как и основную номограмму, можно применить для расчетов глубоко прокаливающихся сталей. Для этого следует использовать общие зависимости.
Под прокаливаемостью подразумевают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость не надо смешивать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки. При закалке стали в зависимости от сечения детали и критической скорости закалки будет получаться различная структура от края к сердцевине.
Так как внутренние слои детали охлаждаются медленнее наружных, то в тех объемах, где скорость охлаждения будет меньше критической, будет образовываться тростит, сорбит и т. д. Если сердцевина будет охлаждаться со скоростью, большей критической, то по всему сечению детали будет мартенситная структура. В соответствии с изменением • скорости охлаждения и структуры от края к сердцевине будет изменяться и твердость, следовательно, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость и, наоборот, чем больше критическая скорость закалки, тем меньше прокаливаемость.
Характеристикой глубины прокаливаемости принято считать расстояние от поверхности до слоя с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% тростита). Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания углерода и повышается с повышением содержания углерода.
Прокаливаемость можно определять по излому, измерением твердости по сечению образца и измерением твердости подлине образца (методом торцовой закалки).
Определение прокаливаемости по излому производится на образцах сечением 20×20 мм, длиной 100 мм с надрезом для излома. Образцы нагревают в печи до температуры закалки, после выдержки охлаждают (с соответствующей скоростью), ломают и по излому определяют глубину прокаливаемости. Этот метод применяется для определения прокаливаемости главным образом инструментальных сталей.
При определении прокаливаемости методом измерения твердости по сечению образец стали нагревают до температуры закалки, после выдержки охлаждают в воде или масле, разрезают и по диаметру измеряют твердость.
Краткие теоретические сведения. Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину
Прокаливаемость стали
Прокаливаемость — способность стали приобретать мартенситную или троосто-мартенситную структуру на определенную глубину при закалке. Прокаливаемость стали зависит от критической скорости охлаждения, которая зависит от химического состава стали. Так, например, если фактическая скорость охлаждения в сердцевине детали при закалке будет выше критической для этой марки стали, то деталь будет иметь сквозную прокаливаемость. При этом за глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности металла до полумартенситной структуры. Полумартенситной называют структуру, которая состоит из 50% мартенсита и 50% троостита. Ширина до полумартенситной зоны в цилиндрическом образце называется критическим диаметром или размером сечения, прокаливающимся насквозь.
Прокаливаемость стали тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е., чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.
Прокаливаемость стали определяется по ГОСТ 5657-69 “Сталь. Методы испытания на прокаливаемость”. (документ откроется в новом окне) В ГОСТе описан так называемый метод торцевой закалки. Результаты эксперимента выражают графически в координатах “твердость — расстояние”. Т.е. график отображает изменение твердости по сечению после закалки. Прокаливаемость стали, даже в пределах одной и той же марки может существенно колебаться. Так происходит из-за того, что прокаливаемость зависит от состава стали, размера зерна, геометрии изделия и т.д. В связи с этим прокаливаемость стали характеризуют не кривой, а полосой прокаливаемости. Необходимо учитывать, что даже гостированные полосы прокаливаемости не всегда будут соответствовать фактической прокаливаемости изделия.
Как закалить сталь в домашних условиях
Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:
Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.
Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.
Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.
Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.
Закалка в домашних условиях
Оборудование
Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.
Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.
Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.
Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.
Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:
Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.
Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла
Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:
Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.
Закаливаемость стали
Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате закалки. Эта характеристика зависит в большей степени от содержания углерода в мартенсите и в меньшей от содержания легирующих элементов. [цитата из книги «Материаловедение”, М.Ю. Лахтин, 1990 г.]
Также есть альтернативный вариант определения закаливаемости стали. Закаливаемость — способность стали воспринимать закалку, т.е. образовывать мартенситную структуру. Такая трактовка закаливаемости основывается на определении закалки стали и определении критической скорости охлаждения: закалка — нагрев стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержка и охлаждение со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения — минимальная скорость охлаждения аустенита в области его минимальной устойчивости, при которой подавляется распад аустенита на феррито-цементитную смесь и при которой обеспечивается структура мартенсита.
Оборудование для термообработки сталей
Первые три вида могут выполнять прогрев всего объема изделия до требуемой температуры, а последние — только поверхностного слоя металла. Кроме того, выпускаются и широко используются печи для закалки металлов, в которых нагрев осуществляется в вакууме или в среде инертного газа. Закалочные ванны представлены стальными емкостями-охладителями для различных жидкостей, а также специальными тиглями из графита и печами для расплавов солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей чаще всего используют минеральное масло, воду и водополимерные смеси. Для расплавов металлов обычно применяют свинец или олово, а для расплавов солей — соединения натрия, калия и бария. Закалочные ванны для жидких сред имеют системы нагрева и охлаждения рабочей жидкости до требуемой температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.
Известно, что активные легирующие элементы стали, такие как хром и молибден, образуют в ней карбиды. Это значит, что эти элементы будут стремиться войти в карбидную часть перлита и бейнита при их образовании из аустенита.
Диффузия углерода при распаде аустенита: от 0,8 % до 0,02 % и 6,7 %
Когда некоторый объем аустенита превращается в перлит или бейнит в обыкновенных углеродистых сталях, то атомы углерода должны перестраиваться из однородного распределения, которое они имеют в аустените. В уже превращенном из аустенита объеме может вообще не быть углерода (0,02 %) в ферритном участке и быть 6,7 % углерода в цементитном участке. Это перераспределение атомов происходит за счет диффузии.
Труднее диффузия – медленнее распад аустенита
Точно также при превращении аустенита легированной стали легирующие атомы, например, хрома и марганец, также должны перераспределиться из однородного распределения в аустените до высокого содержания в карбидах и низкого – в феррите. Однако диффузионное перераспределение для легирующих элементов намного труднее, для углерода. Дело в том, что у них коэффициент диффузии намного меньше, чем у углерода. Поэтому присутствие легирующих элементов в стали затрудняет образование перлита и бейнита. Соответственно кривые начала перлитного и бейнитного превращений на диаграммах превращения аустенита – изотермического и непрерывного – будут сдвигаться вправо, в более, так сказать, поздние времена.
Все легирующие добавки в стали, кроме кобальта, сдвигают кривые начала образования феррита, перлита и бейнита на диаграммах изотермического превращения вправо.
Влияние никеля на прокаливаемость стали
Однако известно, что, например, никель довольно таки неактивный элемент, а тоже замедляют скорость образования перлита и бейнита. В этом случае причина заключается во влиянии никеля на фазовую диаграмму. Просто это невозможно объяснить. Однако конечный результат легко запомнить: почти все легирующие элементы в стали замедляют распад аустенита с образованием феррита, перлита или бейнита.
Как хром замедляет превращение аустенита
На рисунке ниже показано сравнение диаграмм изотермического превращения аустенита для двух американских сталей — углеродистой стали 1060 и легированной стали 5160 (аналоги наших сталей 60Г и 50ХГА) – с различным содержанием хрома. Можно сказать, что сталь 5160 – это та же сталь 1060, но с добавлением 0,8 % хрома.
Рисунок – Диаграммы изотермического превращения для сталей 1060 и 5160. Легирование стали 5160 хромом сдвигает нос кривых превращения вправо. (А — аустенит, F — феррит, С — цементит)
Рисунок показывает, что такое малое содержание хрома оказывает значительное влияние на положение кривых начала превращения аустенита на диаграмме изотермического превращения. Даже при том, что размер зерна в стали 5160 оказался меньше, чем у стали 1060, нос диаграммы изотермического превращения у стали 5160 сдвинут вправо примерно на 5 секунд, а у стали 1060 – всего лишь на 0,5 секунд.
Влияние на прокаливаемость размера зерна стали
Влияние зерна на прокаливаемость стали связано с тем, что распад аустенита всегда начинается на границах его зерен. Площадь границ зерен, естественно, зависит от размера зерна. Большой размер зерен будет снижать общую величину площади границ зерен в единице объема. Это и приводит к сдвигу кривых начала превращения – увеличения задержки начала превращения – и, тем самым, повышает прокаливаемость стали. Именно поэтому положение кривых на диаграмме изотермического превращения зависит от размера зерна аустенита. По этой же причине на диаграммах изотермического превращения всегда указывают размер зерна аустенита.
Карданный велосипед своими руками
