Выбор марки стали по глубине закаленного слоя

Недостаток метода выбора марки стали по критическому диа­метру прокаливаемости (с полумартенситной структурой в центре изделия) состоит в том, что свойства полумартенситной структуры зависят от содержания углерода; кроме того, в полумартенситной зоне вместо 50% троостита присутствует смесь троостита, феррита и перлита в различных сочетаниях, что может приводить к существенной нестабильности свойств по сечению детали.

Более стабильные свойства обеспечивает выбор стали по ее спо­собности получать заданную твердость на определенной глубине. При этом следует учитывать, что легирование дает возможность закаливать изделия больших сечений и вести охлаждение с меньшей скоростью, что снижает опасность появления закалочных дефектов.

Для выбора стали по глубине закаленного слоя необходимо иметь данные о твердости на разных расстояниях. На рис.3 показана связь эквивалентных скоростей охлаждения различных точек стан­дартного образца для торцевой закалки и прутков различного диа­метра, закаленных в воде (а) и масле (б), а также плиты, закаленной в масле (в) [9].

При выборе марки стали важно знать содержание углерода и количество мартенсита, при которых обеспечивается желаемая твер­дость стали в закаленном и отпущенном состояниях.

Связь между твердостью сталей в закаленном и отпущенном со­стояниях показана на рис.4, а, а зависимость твердости закаленной стали от содержания в ней углерода и количества мартенсита – на рис.4, б. Практика показывает, что следует выбирать такие стали, у которых получение минимальной рекомендуемой твердости в зака­ленном состояния достигается при содержании мартенсита, мень­шем 90%. У деталей, работающих на изгиб, структура, содержащая более 90% мартенсита, должна распространяться от поверхности на глубину, равную ~ 0,25 R (здесь R – расстояние от поверхности до центральной части изделия). Для таких деталей, как шатуны, коленча­тые валы, шарниры рулевого управления, болты шатунов, осевые валы, зубчатые колеса и т.п., приемлема закалка, в результате кото­рой на расстоянии 0,25 R образуется ~ 80% мартенсита. Если же у деталей, работающих на изгиб, наружные слон нагружены слабо, то достаточна еще меньшая глубина закалки. При закалке болтов и других подобных деталей, работающих на растяжение, целесообраз­но получать в центре структуру, содержащую 60...90% мартенсита. К деталям, требующим сквозной прокаливаемости (не менее 90% мар­тенсита в центре сечения), относятся пружины.

б

50 60 70 80 90 100 Количество мартенсита, %

Во всех случаях выбора стали нужно стремиться к использова­нию менее легированной (более дешевой) стали. При этом необхо­димо также учитывать следующее:

- высокоуглеродистые стали склонны к повышенной хрупкости при нормальных и отрицательных температурах;

- повышенное содержание углерода увеличивает твердость ста­ли, затрудняя ее обрабатываемость, повышает склонность стали к образованию трещин и изменению размеров при термической обработке.

Поэтому чаще всего используют стали, содержащие менее 0,5%С.

Требования по прокаливаемости в конструкторской или техно­логической документации задаются в соответствии с ГОСТ 5657-69 одним из следующих способов (рис.5):

1) по минимальной твердости на определенном расстоянии от охлаждаемого водой торца (при торцевой закалке); это требование записывается например, для точки 1´ на рис.5:

2)по максимальной твердости на определенном расстоянии, например, для точки 1 на рис.5;

3) по минимальной и максимальной твердости на заданном расстоянии, например, для точек 1´ и 1 на рис.5:

4) по минимальному и максимальному расстоянию от охлаж­даемого торца образца до сечения с определенной твердостью, экви­валентной твердости сечения изделия, интересующего конструктора; для точек 2' и 2 это требование записывается следующим образом:

5) по максимальной твердости на разных расстояниях от торца, например, и соответственнодля точек 1 и 2 на рис.5.

Располагая данными о прокаливаемости сталей, можно обеспе­чить изготовление изделий, обладающих наилучшим комплексом эксплуатационных свойств. В настоящее время экспериментально построены полосы или графики прокаливаемости для большинства применяемых марок сталей. Некоторые из них приведены в прило­жении.

Пример выбора марки стали по глубине закаленного слоя.

Выберем сталь для изготовления осевого вала двигателя, имеющего диаметр 45 мм и длину 192 мм и работающего при воз­действии максимальных напряжений кручения 180 МПа и изгиба 540 МПа. Видно, что основной вклад в напряженное состояние вно­сят напряжения сдвига, возникающие при изгибе. Эти напряжения максимальны в поверхностной зоне вала и равны нулю на оси вала. Поэтому сквозная закалка вала необязательна и даже нежелательна, так как увеличивает возможность появления закалочных дефектов.

Рассматриваемый вал работает в условиях знакопеременных на­грузок при симметричном цикле. Поэтому по величине напряжений изгиба (540 МПа), используя рис.6, находим, что вал должен быть термически обработан на твердость не ниже HRC 36.

Из рис.4 определяем минимальную твердость стали в закален­ном состоянии (HRC 47) и минимальное количество мартенсита в ее структуре. Для стали, содержащей не менее 0,35% С, количество мар­тенсита после закалки должно составлять не менее 85%. Эти харак­теристики должны относиться к зоне, расположенной от поверхности вала на глубину ~ 0,25R, что соответствует расстоянию от закали­ваемого торца стандартного образца для торцевой закалки h ≥ 10 мм (см. рис.3,б). При этом полагаем, что сталь легированная.

По полосам прокаливаемости (см. приложение) выбираем марку стали, для которой минимальная прокаливаемость выражается определенными выше характеристиками, т. е. . Такой прокаливаемостью обладает сталь 38ХС. Используя графики рис.3,б и поло­сы прокаливаемости стали, находим, что твердость стали после за­калки будет меняться по сечению вала от HRC 49...59 на поверхно­сти до HRC 41...52 в сердцевине вала. Видно, что, если прокаливаемость стали 38XC максимальна, то даже в сердцевине вала ко­личество мартенсита будет превышать 90%, что нежелательно, т.к. при завышенной прочности ударная вязкость и пластичность стали могут оказаться недостаточными. Поэтому целесообразно ввести для выбранной марки стали ограничение и по максимальной прокаливаемости, например, , что должно гарантировать опти­мальную структуру закаленной стали.

2.5.Выбор марки стали для деталей, работающих в условиях