Определение прокаливаемости стали методом торцевой закалки.

Легированием называется внесение в состав сплава специальных легирующих элементов с целью улучшения свойств материала.

По назначению легированные стали классифицируются в соответствии с улучшенными свойствами: коррозионостойкие (нержавеющие - в основном хромистые), антифрикционные (износостойкие), жаростойкие (окалиностойкие), быстрорежущие (с вольфрамом), жаропрочные, магнитотвердые, хромоникелевые ( высокопрочные) и т.д.

Часть легирующих элементов (Si, Mn, Ni и др.) растворяются в феррите. Получающиеся при этом легированные стали перлитного класса в отожженном состоянии обладают несколько большей твердостью, чем углеродистые. Все легирующие элементы, особенно Mn, Si, Ni, повышают твердость и прочность ферритатем в большей степени, чем больше растворенный в нем элемент искажает решетку a-Fe.

Другая часть легирующих элементов (V, Cr, W, Mo, Ti) могут вступать в химические соединения с углеродом. При высоком содержании карбидообразующих элементов, характерном для инструментальных сталей карбидного (ледебуритного) класса (например, быстрорежущие стали Р9, Р18 и др.), образуются карбиды, относящиеся к фазам внедрения (типа Мо₃С). Такие стали обладают очень высокой твердостью, так как частицы этих фаз затрудняют движение дислокаций.

Изменение количественного состава легирующих элементов, вводимых в сталь, а также введение одновременно нескольких компонентов приводит к появлению новых свойств. Общий объем легирующих добавок в конструкционных сталях обычно не превышает 5-6 %.

У легированных сталей достигается большая прочность при сохранении или улучшении пластичности: при относительном удлинении при разрыве 50%:

углеродистая сталь имеет прочность s_в = 600-800 Мпа;

сталь, легированная одним элементом - 850 МПа;

сталь, легированная двумя элементами - 950 МПа;

сталь, легированная тремя элементами - 1100 МПа;

Особенности термообработки легированных сталей.Влияние легирующих элементов на структурные превращения. Легирующие элементы оказывают определенное влияние на положение критической точки А_с в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов:

Ni, Mn, Zn - понижают температуру А_с ;

Cr,Si, V, W, Mo, Ti и др. - повышают температуру А_с ;

Температура нагрева под закалку легированных сталей поэтому несколько отличается от температуры закалки соответствующих по содержанию углерода углеродистых сталей и берется, как правило, равной А_с + (30-50°С).

Для сталей карбидного (ледебуритного) класса необходимы высокие температуры нагрева для возможно более полного растворения вторичных карбидов и получения высоколегированного аустенита (например, для быстрорежущей стали необходим нагрев до температуры 1220-1290°С).

Введение в сталь легирующих элементов увеличивает (за исключением Со) устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и бейнитного превращения.

Повышение устойчивости переохлажденного аустенита уменьшает критическую скорость закалки (V_кр) для легированных сталей по сравнению с углеродистыми. Например:

при введении 1,0% Cr в сталь с 1,0% C критическая скорость закалки уменьшается в 2 раза;

при введении 0,4% Mo в сталь с 1,0% C критическая скорость закалки снижается c 200°С/с до 50°С/с, сильно снижают критическую скорость - Mn, Ni;

в меньшей степени - W;

Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20-30°С/с и ниже, что обеспечивает получение мартенситной структуры при охлаждении в масле и на воздухе.

Более медленное охлаждение при закалке создает меньшие внутренние напряжения, что является повышающим конструктивную прочность фактором.

Растворенные в аустените легирующие элементы обычно понижают температуру начала мартенситного превращения М_н и температуру конца мартенситного превращения М_к аустенита в легированных сталях:

Легирующий элемент в количестве 1,0% снижает М_н:

Mn - на 45°С; Cr - на 35°С; Ni - на 26°С; Mo - на 25°С; W - на 30°С.

Легирующий элемент в количестве 1,0% наоборот повышает М_н:

Co - на 12°С; Al - на 18°С.

Температура конца мартенситного превращения М_к некоторых марок стали, легированных Mn, Cr, V и другими элементами, лежит ниже 0°С, поэтому в закаленных легированных сталях, даже при небольшом содержании углерода, после охлаждения до комнатной температуры может сохраниться значительное количество остаточного аустенита. Для высоколегированных сталей с большим содержанием углерода (например, быстрорежущих сталей) количество остаточного аустенита достигает 40% и более. Остаточный аустенит может быть переведен в мартенсит охлаждением до температуры М_к непосредственно после закалки ( обработка холодом) или посредством многократного высокого отпуска.

Прокаливаемость сталей.Важной характеристикой термически обрабатываемых сталей является их прокаливаемость -способность стали получать в результате закалки структуру мартенсита или мартенсита и троостита, а следовательно, и высокую твердость на ту или иную глубину по сечению детали (рис.1).

Если изделия должны отличаться высокими свойствами по всему их сечению, когда действующие напряжения распределены по сечению однородно и отличаются высоким уровнем значений, необходимо выбирать стали с высокой прокаливаемостью, чтобы по всему сечению при закалке образовывалась мартенситная структура, а после отпуска деталей - структура сорбита.

Для изделий, работающих в условиях изгиба или кручения, когда максимальные напряжения, возникающие при эксплуатации, действуют в поверхностном слое, целесообразно применять стали с небольшой прокаливаемостью, у которых после закалки структура мартенсита находится в основном в пределах слоя, воспринимающего основную нагрузку.

Высокая устойчивость переохлажденного аустенита легированных сталей обеспечивает их основную особенность: более глубокую прокаливаемость по сравнению с углеродистыми сталями:

углеродистые - до 15 мм;

легированные 1% Cr - до 20 мм;

хромоникелевые - до 70 мм;

хромомарганцевые - до 40 мм;

легированные 0,001-0,005% B - до 150 мм.

Поэтому легированные конструкционные стали целесообразно применять только для термически обрабатываемых деталей сечением более 30 мм. Чем больше размер деталей, тем более легированную сталь следует использовать для ее изготовления.

Преимущества легированных сталей

Преимущества использования легированных сталей в деталях машин заключаются в следующем:

1. Большая прокаливаемость вследствие меньших значений критической скорости закалки. Сквозная прокаливаемость возможна для деталей значительно больших размеров;

2. При медленном охлаждении меньше термических напряжений, меньше остаточных напряжений и закалочных трещин. Возможны закалка без брака больших деталей, термообработка деталей сложной ажурной формы;

3. Устойчивость мартенсита при нагреве. При эксплуатации допустимы большие, чем для углеродистых сталей, рабочие температуры без изменений структуры;

4. Полное снятие закалочных напряжений при высоком отпуске. Возможны более высокие нагрузки при эксплуатации деталей;

6. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что повышает конструкционную прочность и снижает порог хладноломкости.

Экспериментальная оценка прокаливаемости сталей

У конструкционных сталей наличие наряду с мартенситной структурой некоторого количества троостита (до 10-20%) мало изменяет твердость и поэтому затрудняет определение толщины слоя с чисто мартенситной структурой. На практике за показатель прокаливаемости берут глубину слоя с полумартенситной структурой, т.е. определяют расстояние от охлаждаемой поверхности до слоя с твердостью HRC M, соответствующей твердости тростомартенсита при данном содержании углерода. При содержании мартенсита < 50% наступает резкое снижение твердости.

У инструментальных заэвтектоидных сталей в закаленном состоянии твердость полумартенситной структурой сильно зависит от содержания более мягкой фазы - остаточного аустенита, количество которого может значительно изменяться при различных составах и условиях обработки стали. Наличие карбидов повышает суммарное содержание углерода намного выше его содержания в мартенсите. Поэтому определение прокаливаемости сталей с высоким содержанием углерода сильно затруднено.

Таблица 1. Твердость слоя со структурой 50% мартенсита и 50% троостита

Во многих случаях необходимо экспериментальное определение прокаливаемости сталей. Существует несколько методов ее определения.

Закаливают цилиндрический (или квадратный) образец и ломают его посередине (пилить трудно), шлифуют излом и затем определяют твердость по диаметру через 2 мм в зависимости от радиуса слоя. Строят график, характеризующий прокаливаемость стали для деталей данного диаметра. Для получения более полной характеристики необходимо повторять определение для образцов разного диаметра и охлаждать их в различных ваннах. Прокаливаемость характеризуют баллами по специальной шкале, составленной для образцов квадратного сечения со стороной 20 мм.

Для более глубоко прокаливающихся сталей, принимающих закалку при охлаждении в масле, используют метод торцевой закалки по ГОСТ 5657-69.

Прокаливаемость определяют на образцах диаметром 25 мм и длиной 100 мм. На поверхности образца не допускается обезуглероженный слой и окалина.

Для измерения твердости по длине закаленного образца сошлифовывают при интенсивном охлаждении с двух противоположных сторон по диаметру образца слой толщиной 0,5 мм. На шлифованных площадках проводят измерение твердости по Рокуэллу или Виккерсу через каждые 1,5 мм у охлаждаемого торца и через каждые 3 мм дальше по длине образца.

Результаты испытаний выражают графически или числом прокаливаемости. Графическое изображение выполняют в координатах "твердость - расстояние от охлаждаемого торца" в виде кривых прокаливаемости. Для характеристики прокаливаемости стали одной марки, как правило, строят полосу прокаливаемости по результатам испытаний нескольких образцов. По этим данным и по специальным номограммам можно оценить прокаливаемость деталей из данной стали разного сечения.

Число прокаливаемости согласно ГОСТ определяется величиной L, где L - расстояние в мм от охлаждаемого торца, с твердость HRC M полумартенситного слоя согласно табл. 1. Так если HRC M составляет 45 HRC, а расстояние L равно 10,5 мм, тогда число прокаливаемости будет 10,5.