Вопросы, рассмотренные в материале:
- Разница между прокаливаемостью и закаливаемостью стали
- Определение предела прокаливаемости стали
- Факторы, влияющие на прокаливаемость стали
- Этапы прокаливания стали
- Дефекты, возникающие при термической обработке стали
Разница между прокаливаемостью и закаливаемостью стали
Прокаливаемость стали
Под глубиной прокаливаемости стали при закаливании принято понимать формирование мартенситной или троосто-мартенситной фазы. Данный показатель определяется минимальной скоростью охлаждения – до распада аустенита на феррито-карбидную смесь, на которую оказывает влияние состав сплава.
К примеру, глубина зоны закаливания окажется сквозной при превышении фактической скорости над критической. В этом случае она равна расстоянию между поверхностью заготовки и полумартенситной (состоящей на 50 % из троостита) структурой. Для цилиндрического образца этот показатель обозначают как критический диаметр.
С ростом критической скорости закалки и понижением устойчивости переохлажденного аустенита снижается прокаливаемость стали.
Закаливаемость стали
Так принято называть способность сплава к повышению твердости в ходе закаливания. На этот показатель больше влияет углеродистость мартенсита, чем процентная доля легирующих добавок.
Закаливаемостью также часто называют способность сплава к формированию мартенситной структуры. За основу в этом случае берутся закалка и критическая скорость охлаждения. Закаливание происходит при разогреве болванки до температуры, которая выше той, что требуется для растворения избыточных фаз, выдержке и охлаждении со скоростью, превосходящей критическую, то есть обеспечивающей формирование мартенсита с подавлением распада аустенитной фазы на смесь ферритов с цементитами.
Определение предела прокаливаемости стали
Прокаливаемость стали регламентируется нормами ГОСТ 5657 от 1969 года.
Прокаливаемость определяют с помощью стандартного метода, основанного на торцевой закалке. После нагрева в специальной установке производят охлаждение стандартного образца цилиндрической формы. Болванку остужают только с одного торца при помощи струи воды. Твердость охлажденного металла замеряют, начиная с закаленной части и последовательно откладывая полученные значения на кривой.
Искомый показатель находят, исходя из расстояния между торцом заготовки и полумартенситной зоной. Коэффициенты твердости контрольного участка, зависящие по большей части от углеродистости сплава, заранее определяют эмпирическим путем.
Для того чтобы достаточно точно определить критический диаметр, когда речь идет об изделиях в форме шара, цилиндра или параллелепипеда, используют специальную номограмму. За исходную физическую величину берут расстояние между закаленным торцом цилиндрического образца и полумартенситной зоной, полученное в ходе описанного выше эксперимента. Это значение откладывают на шкале над номограммой, из полученной отметки опускают перпендикуляр к линии идеального охлаждения.
Читайте также: Предел текучести стали: на что влияет
Далее точку на пересечении двух линий соединяют горизонтальной прямой с линией идеального охлаждения в водной, масляной или воздушной среде. Из полученных точек проводят перпендикуляры к шкалам искомой формы, расположенным под номограммой.
Прокаливаемость, в том числе легированных сталей, может меняться даже в пределах одной марки металла. Это обусловлено тем, что на данную характеристику влияют химический состав сплава, диаметр зерен, конфигурация образца и т. п. Поэтому для стальных изделий она отображается не как кривая, а в виде полосы прокаливаемости. Важно помнить, что даже нормы, указанные в соответствующих разделах ГОСТов, не всегда точно отражают фактические значения этого показателя для конкретного металла.
Факторы, влияющие на прокаливаемость стали
От чего зависит закаливаемость и прокаливаемость стали? На данные характеристики стальных сплавов оказывают влияние разные факторы. Перечислим главные из них:
- Исходная структура. Особое внимание стоит уделить дисперсным частицам карбидов, которые прямо влияют на формирование мартенситной структуры.
- Химический состав сплава. Прокаливаемость разных марок стали различается, что несложно проследить по графикам и таблицам, которые содержатся в нормативных документах и специальной технической литературе. Образцы, относящиеся к одному типу, незначительно отличаются по данному показателю.
- Диаметр зерен аустенита. Для большей части конструкционных сортов стали характерна мелкозернистая структура с колебаниями диаметра от 2 до 3 баллов, что не оказывает существенного влияния на прокаливаемость.
- Режим термообработки. На прокаливаемость стали оказывают влияние температура и время обработки, а также скорость охлаждения. При повышении температуры и увеличении выдержки возрастает прокаливаемость. Но даже в пределах одной марки сплав по-разному реагирует на такие изменения. Важно помнить, что экспериментировать с режимом термической обработки рискованно, так как это может отрицательно сказаться на характеристиках изделий. Поэтому следует придерживаться стабильных параметров.
Читайте также: Анодирование алюминия: технология, сферы применения
Сказанное выше относится и к процессу отжига. Во избежание непредсказуемых изменений параметров сплава желательно соблюдать постоянный, рекомендованный для этой марки металла режим. Для повышения эффективности термической обработки стальных деталей и минимизации риска возникновения брака необходимо учитывать нормативные значения прокаливаемости для различных сплавов.
Этапы прокаливания стали
Прокаливаемость, свойственная различным маркам стали, указана в ГОСТ 5657 от 1969 года. Существует ряд методик определения этого параметра, однако данный документ содержит показатели, полученные именно методом торцевой закалки. Ниже приведено поэтапное описание такого исследования:
- Для испытания берут образец исследуемого металла в форме цилиндра.
- Заготовку доводят до нужной температуры в специальной печи и выдерживают в течение получаса.
- Далее цилиндр фиксируют в закалочной установке кронштейнами и охлаждают с одного торца мощной струей воды.
- Затем на образце посредством напильника зачищают плоскую площадку для замеров глубиной не более 0,5 мм.
- С помощью твердомера измеряют твердость стали, начиная с закаленного торца с шагом в 1,5 мм.
Диаграмму прокаливаемости строят, используя данные, полученные при измерении твердости. Для этого на стандартной системе координат по вертикальной оси откладывают значения твердости, а по горизонтальной – расстояние до торца. Соединение пущенных от этих отметок перпендикуляров дает кривые. В итоге получаются две линии – верхнего и нижнего пределов прокаливаемости.
Важно учитывать, что полученная в результате полоса прокаливаемости металла не всегда совпадает с той, что указана в ГОСТе. Это обусловлено влиянием ряда факторов, о которых мы уже упомянули.
Дефекты, возникающие при термической обработке стали
Низкая твердость металла после закаливания
Этот недостаток может быть обусловлен недостаточным нагревом, короткой выдержкой или медленным охлаждением детали.
Способы исправления: нормализация или отжиг с последующей закалкой, более энергичная закалочная среда.
Перегрев
Перегрев обусловлен слишком высокой температурой, что приводит к укрупнению зерна в структуре металла и повышению хрупкости стали.
Способы исправления: отжиг (нормализация) и последующее закаливание при нужной температуре.
Пережог
Разогрев стального сплава до близких к температуре плавления значений (+1 200…+1 300 °С) в среде окислителя. Проникающий в структуру металла атомарный кислород приводит к формированию оксидов на границах зерен и критическому повышению хрупкости.
Данный дефект не подлежит исправлению.
Читайте также: Цвета побежалости: откуда появляются и о чем говорят
Окисление и обезуглероживание стали
Возникновение такого дефекта обусловлено формированием оксидной пленки на верхних слоях металла и их обезуглероживанием. Этот брак также не подлежит исправлению. Иногда возможно удаление бракованного слоя при обработке с помощью механических методов.
Для предупреждения подобных дефектов нагрев заготовок следует производить в специальной печи с защитой из инертного газа.
Коробление и трещины
Такого рода дефекты возникают вследствие формирования зон внутреннего напряжения. При переходе аустенитной фазы в мартенситную происходит увеличение объема металла в пределах 3 %. Неравномерное прогревание и охлаждение стали в разных зонах, а также в близких к поверхности слоях и сердцевине приводит к растрескиванию и короблению сплава в ходе термообработки.
Растрескивание, как правило, происходит при остывании металла до температуры от +100 °С до +70 °С, когда большая часть объема детали захвачена мартенситным превращением. Чтобы сплав не растрескивался при термической обработке, необходимо на этапе конструирования избегать резко выступающих элементов и перепадов сечения.
Кроме того, важно контролировать охлаждение стали в зонах мартенситного превращения. Избежать образования дефектов можно, проводя закалку ступенчато, в двух средах или в масле. Если растрескавшийся металл невозможно восстановить, то от коробления избавляются, рихтуя или исправляя поверхность изделий.
Рекомендуем статьи
Закаливаемость и прокаливаемость металла являются ключевыми характеристиками стальных сплавов. Для изделий из стали высокие показатели по этим параметрам служат гарантией надежности, устойчивости к износу и долговечности, существенно повышая экономическую эффективность их эксплуатации.
