material / материаловеденье-1 / 59

59. Закаливаемость и прокаливаемость сталей. Закаливаемость – способность стали  твёрдость в процессе З. Закаливаемость зависит от содержания С в стали. Чем  С, тем  после З его будет в мартенсите и тем  будет твёрдость. Прокаливаемость – способность стали получать закалённый слой на ту или иную глубину. Прокаливаемость зависит от  критич, а  критич зависит от состава стали. Если действительная  охлаждения в сердцевине изделия будет >  критич, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и прокаливаемость будет сквозной. Если  охлаждения в сердцевине изделия <  критич, тот изделие прокаливается тлк на какую-то определенную глубину и прокаливаемость будет неполной. Тогда в сердцевине произойдёт распад А с образованием феррито-цементитной смеси. Критический D прокаливания – D заготовки, в центре кот после З в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная зона. D_КР=20 в Н₂О  критич D этой стали после охлаждения в Н₂О = 20 мм. D_{КР 95}=20 в Н₂О  после З заготовка диаметром 20 мм в Н₂О на 95% состоит из мартенсита. На прокаливаемость оказывают влияние состав стали и характер закалочной среды.

закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки - это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя способностями: закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в атомной решетке железа при закалке, т. е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе. Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) не способны принимать закалку, так как не происходит образования мартенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой атомной решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 38). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры. При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали. Прокаливаемость - это глубина проникновения закаленной зоны, т. е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении углерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается. При закалке скорость охлаждения по сечению изделия распределяется неравномерно. У поверхности она максимальная, в центре - минимальная, т. е. скорость охлаждения уменьшается по некоторому закону от поверхности изделия к его центру. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. диаметр максимального сечения, которое прокаливается полностью в данной охлаждающей среде.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ

Накопленные к настоящему времени данные свидетельствуют о том, что на прокаливаемость стали оказывают влияние следую­щие факторы: химический состав стали; величина зерна аустенита; скорость кристаллизации стали; условия прокатки стали;

исходная структура; условия термической обработки (темпера­тура нагрева, продолжительность, условия охлаждения — при­рода охлаждающей среды и скорость ее перемешивания), химиче­ская микронеоднородность твердого раствора, определяемая денд­ритной ликвацией, внутренней адсорбцией в твердых растворах, характером взаимодействия растворенных атомов между собой, процессом образования и растворения карбидной фазы и при­сутствующими в сталях несовершенствами кристаллической ре­шетки.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ. Прокаливаемость стали при переходе от марки к марке меняется. Однако эффективность влияния того или иного элемента на прокаливаемость определяется природой других элементов, присутствующих в данной стали. С этой точки зрения, по-видимому, нельзя признать, что химический состав конструкционных сталей во всех случаях строго обоснован, поэтому работы в данном направлении следует считать необ­ходимыми.

Влияние химического состава в пределах марки стали прояв­ляется, как правило, слабо, а в отдельных случаях вообще не проявляется. Выше приводились примеры, когда плавки стали, менее легированные, имели прокаливаемость более глубокую, чем плавки той же стали, но более легированные. Очевидно, в этих случаях действовали другие, более сильные факторы, которые затушевывали влияние колебаний химического состава, а в ряде случаев просто перекрывали его.

ВЕЛИЧИНА ЗЕРНА АУСТЕНИТА. Применяемые в настоящее время конструкционные стали, как правило, мелкозернистые. При этом колебания величины зерна не превосходят двух (редко трех) баллов. Эти колебания практически не оказывают заметного влияния на прокаливаемость.

 СКОРОСТЬ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ. Как показано выше, этот фактор оказывает влияние на прокаливаемость. Однако это влияние проявляется через химическую микронеоднородность ликвационного происхождения. Поэтому роль скорости кристаллизации стали будет рассматриваться при обсуждении роли химической микронеоднородноститвердого раствора. Одновременно будет рассмотрена также роль прокатки стали и в особенности роль условий охлаждения после окончания прокатки стали.

 УСЛОВИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ. Рассматривая вопрос о роли условий термической обработки на прокаливаемость стали, сле­дует иметь в виду два момента: 1) температуру и продолжитель­ность нагрева; 2) скорость охлаждения.

С повышением температуры нагрева под закалку и увеличе­нием продолжительности выдержки прокаливаемость стали, как правило, увеличивается, хотя и неравномерно для различных плавок одной и той же стали.

Однако повышение температуры и удлинение выдержки огра­ничиваются опасностью получения крупноигольчатого мартен­сита, что отрицательно сказывается на свойствах термически обработанной стали. Поэтому для каждой стали всегда определяют оптимальные температуры закалки   и длительности   нагрева.

 

Необходимо, однако, отметить следующее. Выбор строго по­стоянной температуры закалки для всех плавок стали той или иной марки нельзя считать строго оправданным. Нежелательно использование плавок, расположенных у левой границы полосы прокаливаемости, из-за их недостаточной прокаливаемости, а пла­вок, расположенных у правой границы этой полосы, — из-за того, что сталь этих плавок более склонна к образованию трещин при закалке.

Указанные явления, по нашему мнению, объясняются следующим.

Все плавки одной стали не­зависимо от их фактической прокаливаемости подвергают закалке с одной температуры. В этих условиях плавки с пони­женной прокаливаемостью заве­домо несколько недогревают, а плавки с повышенной прокаливаемостью несколько перегревают, что естественно привести к образованию трещин при закалке.

Было бы более целесообразно плавки с пониженной прока­ливаемостью подвергать закалке с температуры, превышающей принятую для данной марки, а плавки с повышенной прокали­ваемостью — с более низкой температуры.

Схематически это показано на рис. 96 для стали 40ХГМ. Линия а—а отвечает температуре закалки, принятой для стали марки 40ХГМ, линия b—Ь характеризует более правильное из­менение температуры закалки в зависимости от фактической прокаливаемости стали плавок, включенных в полосу. Разумеется, пределы колебания температуры закалки должны устанавливаться экспериментально. Для этого сталь должна проходить поплавоч­ный контроль прокаливаемости.

Практика и приведенные выше данные показывают, что зака­лочная среда и скорость ее перемешивания оказывают значи­тельное влияние на глубину закалки деталей.

На выбор закалочной среды в основном влияют величина изменения* линейных размеров при закалке, величина остаточных напряжений и склонность стали к трещинообразованию. В свою очередь закалочная среда определенным образом обусловливает выбор стали.

Углеродистые стали при сечениях более 12,0—13,0 мм, как правило, закаливают в воде. По этой причине из них чаще всего изготовляют детали, для которых допустимы достаточно большие изменения размеров и которые можно закаливать с большими

Таким образом, для управления прокаливаемостью необходим выбор оптимальной степени обжатия.

Как уже отмечалось, прокаливаемость высокоуглеродистой стали заметно повышается при применении непрерывной раз­ливки. Можно полагать, что непрерывная разливка повысит прокаливаемость также конструкционных сталей. Поэтому целе­сообразно создание оптимальной технологии непрерывной раз­ливки сталей различных марок.

Заслуживает внимания и разработка оптимальных режимов гомогенизации стали в процессе прокатки. Это позволит суще­ственно повысить не только прокаливаемость стали, но, что не менее важно, ее контактную и, по-видимому, усталостную прочность.

Большое значение для управления прокаливаемостью имеет также дальнейшее развитие работ по комплексному легированию сталей.

Отпуск - процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении (обычно на воздухе). Цель отпуска - получение более устойчивого структурного состояния, устранение или уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали (рис. 43). Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет качество закаленной детали. Температура отпуска варьируется в широких пределах - от 150 до 700°С в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.