Что такое закаливаемость и прокаливаемость

Прокаливаемость и закаливаемость стали

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.

6.1 Закаливаемость и прокаливаемость сталей

Закаливаемость – это способность сталей повышать поверхностную твердость, что возможно при закалке на мартенсит. Данная характеристика измеряется в единицах прироста твердости для закаленных сталей по сравнению с отожженным состоянием, определяется обычно твердость по Роквеллу. Закаливаемость зависит от содержания углерода в сталях (рис. 4), условий охлаждения. Повышение концентрации углерода до

0,8% ведет к росту твердости до 60-62 HRC. Практически на закаливаемость не влияет содержание легирующих элементов в сталях.

Прокаливаемость – глубина проникновения закаленного слоя, то есть имеющего структуру мартенсита. Определяется по торцевой пробе согласно ГОСТ 5657-90, показателем глубины закаленного слоя является расстояние от поверхности вглубь до слоя со структурой

90% мартенсита (сквозная закалка) или слоя со структурой 50% мартенсита + 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны при различном содержании углерода в сталях представлена в табл. 8. Сквозная прокаливаемость необходима для таких изделий, как пружины, рессоры, тормозные колодки, инструмент, шарики и ролики подшипников.

Влияние углерода на твердость полумартенситной зон

Прокаливаемость — технологическая характеристика материала измеряется, как правило, в миллиметрах. Она определяет технологичность изделий, технологию их производства и эксплуатационные свойства. По этой причине ее следует учитывать при выборе сталей как конструкционных материалов. Путем выбора стали с оптимальной прокаливаемостью, соответствующей технологии термической обработки можно при сравнительно малых затратах повысить эксплуатационную надежность и долговечность изделий.

Для характеристики прокаливаемости введено понятие критический диаметр, которое позволяет устранить влияние размеров изделий на глубину прокаливаемости. Критический диаметр – это максимальное сечение цилиндра, который закаливается насквозь при охлаждении в данной закалочной среде. Связь между результатами торцевой закалки, размерами деталей простой геометрической формы и критической скоростью закалки отражена в номограммах для определения сквозной прокаливаемости. По номограмме можно установить: прокаливаемость при заданной критической скорости закалки, критическую скорость закалки для определенной формы детали, прокаливаемость по данным торцевой закалки.

Справочной характеристикой прокаливаемости сталей являются полосы прокаливаемости (рис. 5), которые характеризует изменение твердости в зависимости от расстояния с поверхности вглубь детали, или связь значений твердости со средой закалки, глубиной слоя или количеством мартенсита закалки (табл. 9).

Прокаливаемость стали 40, ГОСТ 1050-74. (Закалка с температуры 850 о С).

Рис. 4. Твердость стали в зависимости от содержания углерода и температура нагрева под закалку: а – нагрев выше критической точки А_с1; б – нагрев до аустенитного состояния

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки v_к (рис.1, v_к′″ ), то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость.

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше v_к (v_к′, v_к″ ), то изделие прокалится только на некоторую глубину а, а′, и прокаливаемость будет неполной. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пластинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает максимум механических свойств – сильно снижается σ _-1 и а_н. В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного слоя со структурой 95 % мартенсита. Критический диаметр для 95 % мартенсита примерно на 25 % меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру из 99,9 % мартенсита составляет ∼ 50 % от полумартенситной (для инструментальных, цементируемых и нитроцементируемых сталей критический диаметр определяется для структуры 95–99 %). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости потому, что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Например, при 0,13–0,22 % С твердость полумартенситной структуры углеродистой стали HRC 25, легированной – HRC 30; при 0,28–0,32 % С соответственно HRC 35 и HRC 40, при 0,43–0,52 % С – HRC 45 и HRC 50 и при 0,53–0,62 % С – HRC 50 и HRC 55.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения (рис.1, v_к″ и v_к′″ ) прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые посадки бора (0,003–0,005 %), менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если же легирующие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они не повышают устойчивость аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливаемость. Сильно влияет на прокаливаемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от балла 6 до 1–2 глубина закаленного слоя возрастает в 2–3 раза, поэтому повышение температуры и увеличение длительности нагрева повышают прокаливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только создают дополнительные центры, способствующие распаду аустенита, но и измельчают его зерно, что также увеличивает критическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали и, в частности твердость, по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению способствует соответствующим изменениям свойств. Распределение твердости по сечению закаленных цилиндров из разных сталей показано на рис.2. При несквозной прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине. Из рис.2 видно, что твердость полумартенситной зоны углеродистой стали в данных условиях обработки имеет критический диаметр 25 мм, хромистой 50 мм и хромоникелевой ∼ 125 мм. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости и пределе прочности по сечению. Однако предел текучести, ударная вязкость и относительное сужение в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строения ферритно–цементитной структуры. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная ферритно–цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовки из углеродистой стали с 0,45 % С, диаметром 10 мм, прокаливаются в воде насквозь. После отпуска при 550 °С получается структура – сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: σ _в = 80 кгс/мм 2 ; σ _0,2 = 65 кгс/мм 2 , δ = 16 %; ψ = 50 % и а_н = 10 кгс·м/см 2 . При диаметре заготовки 100 мм и закалке в воде скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической v_к, и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: σ _в = 70 кгс/мм2; σ _0,2 = 45 кгс/мм 2 ; δ = 13 %; ψ = 40 % и а_н = 5 кгс·м/см 2 . Для получения одинаковых и высоких механических свойств по всему сечению во многих случаях необходимо обеспечить в процессе закалки сквозную прокаливаемоеть.

Прокаливаемость углеродистой стали в небольших сечениях (диаметром до 15–20 мм) можно определить по виду излома закаленных образцов. Часто прокаливаемость определяют по кривым распределения твердости по сечению (рис.2). Для этого образец ломают или разрезают и по диаметру сечения определяют твердость.

Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцовой закалки (ГОСТ 5657–69). Цилиндрический образец определенной формы и размеров (рис.3), нагретый до заданной температуры, охлаждают водой с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по длине (высоте) образца. Так как скорость охлаждения убывает по мере увеличения расстояния от торца, будет уменьшаться и твердость.

Результаты испытаний выражают графически в координатах твердость – расстояние от охлаждаемого торца. Определив расстояние от торца до участка с твердостью, соответствующей полу мартенситной зоне данной стали, можно по специальным номограммам найти критический диаметр. Чтобы характеристика прокаливаемости стали не была связана с видом охладителя, при использовании номограмм вводят понятие об идеальном критическом диаметре, который является наибольшим диаметром образца, прокаливаемого насквозь, при идеальном охлаждении. Поверхность образца в идеальном охладителе должна мгновенно принимать его температуру, т. е. охлаждение следует проводить с бесконечно большой скоростью. От идеального критического диаметра можно перейти к реальному критическому диаметру, используя номограмму, приведенную на рис.4а. Определим критический диаметр для стали 1 ( рис.3). Для этой стали расстояние от торца до поверхности полумартенситной зоны составляет 10 мм. Для определения критического диаметра на шкале расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны (рис.4а) находим деление 10 и опускаем перпендикуляр до пересечения с линией «идеальное охлаждение». От точки а проводим горизонтальную линию влево до пересечения линией заданной охлаждающей среды – вода (точка б) или масло (точка с). От точек б и с опускаем перпендикуляр до шкалы – критический диаметр. Точки с′ и б′ показывают искомый размер критического диаметра.

На практике с достаточной точностью критический диаметр может быть определен по графику, представленному на рис.4б. Для этого на оси абсцисс откладывают расстояние от охлаждаемого торца до зоны, имеющей полумартенситную твердость, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой для закалки в масле или воде. Горизонталь, проведенная от этой точки до ординаты, укажет величину D_к. Например, для стали 2 (рис.3) расстояние от торца до зоны с полумартенситной твердостью составляет 19 мм, тогда D_к = 75 мм при закалке в воде и D_к = 50 мм при закалке в масле (рис.4б).

Прокаливаемость даже одной и той же стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от изменений химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. В связи с этим прокаливаемость стали каждой марки характеризуют не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая не всегда отражает действительную прокаливаемость стали в изделии. Полосы прокаливаемости для углеродистой и легированной сталей, содержащей 0,4 % С, наглядно показывающие влияние легирующих элементов, приведены на рис.5.