Определение прокаливаемости стали методом торцевой закалки

Учебно-исследовательская работа № 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ МЕТОДОМ ТОРЦЕВОЙ ЗАКАЛКИ

11.1. Цель работы

Данная работа предполагает:

·  определение прокаливаемости углеродистой и легированной стали методом торцевой закалки;

·  ознакомление и получение навыков работы с печным термическим оборудованием;

·  получение навыков работы на контрольном и измерительном оборудовании;

·  анализ влияния степени прокаливаемости на физико-механические свойства стали.

11.2. Основные положения

11.2.1. Понятие закаливаемости и прокаливаемости

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твёрдость 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 закалённый слой с мартенситной или троосо-мартенситной структурой и высокой твёрдостью, простирающейся на ту или иную глубину.

Прокаливаемостъ определяется критической скоростью охлаждения и зави­сит от состава стали. Прокаливаемостъ тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлаждённого аустенита.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее – в сердцевине. При закалке скорость охлаждения распределяется по сечению так, как это показано на рис. 11.1 пунктирной линией; у поверхности скорость охлаждения максимальная, в центре – минимальная. Если критическая скорость закалки равна величине, показанной на этой схеме горизонтальной пунктирной линией, то деталь не прокаливается насквозь, и глубина закалки будет равна заштрихованному слою (рис. 11.1, а).

Очевидно, с уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если vK будет меньше скорости охлаждения в центре, то это сечение закалится насквозь. Если же сечение велико и скорость охлаждения на поверхности меньше, то при данном способе закалки сталь не закалится даже на поверхности.

Рис. 11.1. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения

по сечению и в связи с этим несквозную прокаливаемость

Рис. 11.2. Прокаливаемость прутков различного размера при закалке

в воде и масле (заштрихована незакаленная сердцевина)

Следовательно, чем меньше vK, тем глубже прокаливаемость. Прокаливаемость, как и vK, тесно связана со скоростью превращения аустенита в перлит и, следовательно, с расположением кривой начала превращения на С-диаграмме.

Предположим, что имеем цилиндрическую деталь. Кривые охлаждения центра, поверхности и сечения, расположенного на половине радиуса от поверхности, наложенные на С-диаграмму, показаны на рис. 11.1, б. Для данной стали при данных условиях охлаждения на поверхности получится мартенситная структура, в центре – перлитная, на расстоянии половины радиуса получится мартенсит + троостит.

Если С-кривая располагается правее, чем показано на рис. 11.1, б, вследствие большей устойчивости переохлажденного аустенита, то, очевидно, прокаливаемость увеличится.

Следовательно, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, чем правее расположены линии на диаграмме изотермического распада аустенита, тем глубже прокаливаемость.

Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлаждённого аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на значительно большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые присадки бора. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов. Кобальт, повышая критическую скорость закалки, одновременно уменьшает прокаливаемость стали.

Устойчивость переохлаждённого аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. В случае если они не растворены в аустените и находятся в виде избыточных частиц (карбидов, карбонитридов, нитридов и других подобных фаз), то они не повышают устойчивость аустенита, а могут её уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды (карбонитриды) титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливаемость.

Основные факторы, влияющие на скорость перлитной кристаллизации:

– состав аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (за исключением кобальта), замедляют превращение;

– нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соединения). Эти частицы ускоряют превращение, так как являются дополнительными центрами кристаллизации и увеличивают ч. ц. при превращении аустенит-перлит;

– неоднородный аустенит. Он быстрее превращается в перлит, так как скорость превращения определяется в этом случае менее насыщенной частью твердого раствора;

– размер зерна аустенита. Увеличение размера зерна замедляет превращение, так как центры кристаллизации образуются преимущественно по границам зерна, а чем крупнее зерно, тем, следовательно, меньше суммарная протяженность границ, тем меньше значение ч. ц.

Таким образом, все перечисленные факторы, которые влияют на скорость аустнито-перлитного превращения, способствуют углублению прокаливаемости.

11.2.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента

Прокаливаемость является важной характеристикой физического состояния металла и, соответственно, показателем его качества. Поэтому в комплекс (механических) испытаний металлов и сплавов, рекомендуемых ГОСТом, входят испытания на прокаливаемость.

Существует несколько способов определения прокаливаемости, в основу которых положены: внешний вид излома, распределение твердости по сечению образца, а также метод торцевой закалки, который является наиболее простым и надежным.

Испытания на прокаливаемость методом торцевой закалки проводят с использованием стандартных образцов и специальной установки согласно ГОСТ 5657-69. Внешний вид образца и его размеры представлены на рис. 11.3, схема установки на рис. 11.4.

Рис. 11.3. Внешний вид образца для торцевой закалки

Рис. 11.4. Схема установки для торцевой закалки:

1 – образец, 2 – корпус установки, 3 – сопло, 4 – шланг

При испытании образец нагревают до необходимой температуры в печи и подвергают закалке в масле или в воде. После охлаждения измеряют твердость по длине образца. По мере удаления от торца твердость будет уменьшаться, так как скорость охлаждения убывает. Результаты испытаний представляют в виде графической зависимости в координатах "твердость – расстояние от охлажденного торца". Степень прокаливаемости характеризуют числом прокаливаемости lс , которое показывает расстояние от охлажденного торца до точки с полумартенситной твердостью (структуры, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита).

Прокаливаемость разных плавок одной и той же марки стали может изменяться в некоторых пределах в зависимости от действительного химического состава и величины зерна, поэтому строят не кривую, а полосу прокаливаемости. Имея заранее построенную полосу прокаливаемости, применяя сталь данной марки, можно ожидать, что значения механических свойств будут находиться в пределах этой полосы. Пример построения полосы прокаливаемости представлен на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Полосы прокаливаемости сталей

Кроме числа прокаливаемости lс для практической оценки пользуются критическим диаметром Dк . Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается в данном охладителе. Универсальной характеристикой, не зависящей от способа охлаждения является идеальный критический диаметр D¥ . Это диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в жидкости, отнимающей тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью (рис. 11.6).

Предположим, что известен критический диаметр D¥ , реальный критический диаметр можно найти, опустив перпендикуляр с верхней шкалы абсцисс (шкала значений критического диаметра D¥) до шкалы, характеризующей идеальное охлаждение, и на уровне пересечения перпендикуляра с этой линией проводим горизонтальную прямую. Точки пересечения этой горизонтали с наклонными линиями, характеризующими охлаждение в воде, масле и на воздухе, определяют реальные критические диаметры при охлаждении в этих средах.

Рис. 11.6. Номограмма для определения прокаливаемости:

1 – охлаждение на воздухе; 2 – охлаждение в масле;

3 – охлаждение в воде; 4 – идеальное охлаждение

11.3. Порядок выполнения работы и обработка результатов

1. Для проведения торцевой закалки стандартные образцы из углеродистой и легированной стали нагреть в печи до необходимой температуры. Температуру закалки в зависимости от содержания углерода определить по справочнику. Нагрев образца производить в течении 30 минут. Закалку провести в воде и на воздухе.

2. Зачистить полоску шириной 2-4 мм по всей длине образца и замерить твердость через каждые 2-3 мм, начиная от торца. Число промеров должно быть не менее 2-3 на каждый элемент длины.

11.4. Оформление отчета об исследовании

1. Краткое описание о проделанной работе.

2. Представить диаграмму изотермического распада аустенита в доэвтектоидной или завэвтектоидной стали. Построить график зависимости твердости полумартенситной зоны в зависимости от содержания углерода в стали.

3. Проведение торцевой закалки по заданной схеме.

Цель работы:

Тип, характеристика печи, вспомогательного оборудования:

4. Представить таблицу 11.1 графической зависимости в координатах «твердость – расстояние от охлажденного торца». Определить глубину закаленной зоны, или расстояние от торца до слоя полумартенситной структурой. Сравнить полученные значения твердости полумартенситной зоны для легированной и углеродистой стали. Полученные результаты представить в виде табл. 11.2.

Таблица 11.1

"Твёрдость – расстояние от охлажденного торца"

Таблица 11.2

11.5. Контрольные вопросы

1. Методы определения прокаливаемости и факторы влияющие на нее?

2. Наиболее распространенные закалочные среды и их свойства?

3. Что понимается под прокаливаемостью и закаливаемостью сталей и их отличие?

4. Какие факторы влияют на степень прокаливаемости?

5. Что понимается под несквозной прокаливаемостью?

6. Что такое мартенсит и троостит?

7. Что понимается под идеальным и критическим диаметром?