Прокаливаемость стали: технология испытаний. От чего зависит закаливаемость стали?

Закаливаемость стали — это способность стали допускать закалку на необходимую глубину. Когда фактическая скорость охлаждения в сердцевине равна или превышает критическую скорость закалки, по всему сечению образуется мартенситная структура. Затвердевание производится путем полимеризации.

ЭЛСИТ

Закалка — это вид высокотемпературной обработки металла, при котором сталь нагревается до нужной температуры, выдерживается определенное время, а затем охлаждается одной из охлаждающих сред. Закалка производится для изменения некоторых свойств стали и укрепления структуры. Основными параметрами для закалки являются скорость охлаждения, температура нагрева и скорость нагрева.

HFI (высокочастотная закалка) позволяет закаливать сталь при определенной температуре и нагревать ее за короткое время с высоким качеством.

Закалка стали – температура

Температура для закалки стали определяется в соответствии с диаграммой оптимального интервала нагрева, показанной на рисунке 1. Например, эвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50 градусов выше точки AC1, а доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50 градусов выше точки AC3. Чем выше содержание углерода в стали, тем ниже требуемая температура нагрева.

Например, инструментальные стали закаливаются при температуре 760-780 °C (точка 2). Система индукционного нагрева оснащена современным автоматизированным программным обеспечением для программирования нагрева до нужной температуры и управления процессом закалки ТВЧ.

Закалка стали – скорость нагрева

Скорость, с которой необходимо нагревать продукт для достижения желаемых результатов, должна быть выбрана в соответствии со следующими параметрами: Тепловая мощность оборудования, химический состав стали, вес и размеры закаливаемого изделия. Чем сложнее и тяжелее изделие, тем больше времени требуется на нагрев. Чем больше углерода и других легирующих элементов содержится в стали, тем ниже теплопроводность. Рекомендуется нагревать высокоуглеродистые и легированные стали как можно медленнее, чтобы увеличить время выдержки при нагреве. Причина этого заключается в том, что поверхностные слои заготовки, нагретые до температуры, значительно превышающей внутреннюю температуру, имеют тенденцию к расширению. Менее нагретые внутренние слои предотвращают это расширение. По этой причине поверхностные слои будут подвергаться сжимающим напряжениям, а внутренние слои — растягивающим напряжениям. Значения напряжений зависят в основном от скорости нагрева: Чем ниже скорость нагрева, тем меньше разница температур между ядром и поверхностью.

Время нагрева для полимеризации состоит из двух величин: время ожидания и время нагрева до необходимой температуры. Время нагрева до необходимой температуры зависит от типа среды, в которой будет производиться нагрев, формы и размера заготовки, а также от способа размещения заготовки в закалке. Закалка ТВЧ выполняется с высоким качеством благодаря равномерному распределению тепла по всей поверхности изделия. Индукционный нагрев способен обеспечить высококачественную высокотемпературную обработку продукта, помещенного в индуктор.

Определение предела прокаливаемости стали

Закаливаемость стали регламентируется ГОСТ 5657, 1969.

Твердость определяется стандартным методом лицевой закалки. После нагрева в специальном оборудовании стандартный цилиндрический образец охлаждается. Матрица охлаждается струей воды только с одного конца. Твердость охлажденного металла измеряется, начиная с закаленной части, и полученные значения последовательно располагаются на кривой.

Желаемое значение получается из расстояния между поверхностью заготовки и зоной полутвердости. Коэффициенты твердости испытуемого образца, которые в основном зависят от содержания углерода в сплаве, должны быть определены заранее эмпирическим путем.

Для точного определения критического диаметра для сферических, цилиндрических или кубовидных изделий используется специальная номограмма. Начальная физическая величина — это расстояние между закаленным краем цилиндрического образца и зоной полутвердости, полученной в результате испытания, описанного выше. Это значение откладывается на шкале над номограммой, и от этой точки проводится вертикальная линия до линии идеального охлаждения.

Затем пересечение этих двух линий соединяется горизонтальной линией с линией идеального охлаждения в воде, масле или воздухе. Проведите отвесные линии от этих точек к шкалам нужной формы под номограммой.

Закаливаемость даже легированных сталей может варьироваться даже в пределах одной марки металла. Это связано с тем, что на данное свойство влияет химический состав сплава, диаметр зерна, конфигурация образца и т.д. Поэтому для стальных изделий она показана не как кривая, а как зона прокаливаемости. Важно помнить, что даже нормы, приведенные в соответствующих разделах ГОСТа, не всегда точно отражают фактические значения этого параметра для данного металла.

Факторы, влияющие на прокаливаемость стали

От чего зависит прокаливаемость и твердость стали? На эти свойства стальных сплавов влияют несколько факторов. Перечислим наиболее важные из них:

1. Исходная структура. Особое внимание стоит уделить дисперсным частицам карбидов, которые прямо влияют на формирование мартенситной структуры.
2. Химический состав сплава. Прокаливаемость разных марок стали различается, что несложно проследить по графикам и таблицам, которые содержатся в нормативных документах и специальной технической литературе. Образцы, относящиеся к одному типу, незначительно отличаются по данному показателю.
3. Диаметр зерен аустенита. Для большей части конструкционных сортов стали характерна мелкозернистая структура с колебаниями диаметра от 2 до 3 баллов, что не оказывает существенного влияния на прокаливаемость.
4. Режим термообработки. На прокаливаемость стали оказывают влияние температура и время обработки, а также скорость охлаждения. При повышении температуры и увеличении выдержки возрастает прокаливаемость. Но даже в пределах одной марки сплав по-разному реагирует на такие изменения. Важно помнить, что экспериментировать с режимом термической обработки рискованно, так как это может отрицательно сказаться на характеристиках изделий. Поэтому следует придерживаться стабильных параметров.

Это также относится к процессу отжига. Чтобы избежать непредсказуемых изменений параметров сплава, желательно поддерживать стабильный, рекомендованный для данного типа металла режим. Для повышения эффективности термической обработки стальных деталей и минимизации риска разрушения необходимо учитывать стандартные значения прокаливаемости для различных сплавов.

Этапы прокаливания стали

Закаливаемость, присущая различным видам стали, указана в ГОСТ 5657, 1969. Существуют различные методы определения этого параметра, но в данном документе приведены значения, полученные методом торцевой закалки. Ниже приводится пошаговое описание такого исследования:

1. Для испытания берут образец исследуемого металла в форме цилиндра.
2. Заготовку доводят до нужной температуры в специальной печи и выдерживают в течение получаса.
3. Далее цилиндр фиксируют в закалочной установке кронштейнами и охлаждают с одного торца мощной струей воды.
4. Затем на образце посредством напильника зачищают плоскую площадку для замеров глубиной не более 0,5 мм.
5. С помощью твердомера измеряют твердость стали, начиная с закаленного торца с шагом в 1,5 мм.

Диаграмма прокаливаемости составляется с использованием данных, полученных при измерении твердости. Для этого значения твердости откладываются в стандартной системе координат по вертикальной оси и по горизонтальной оси на расстоянии от поверхности. Соединение перпендикуляров этих отметок дает кривые. Результатом является верхний и нижний предел прокаливаемости.

Следует отметить, что полученная зона твердости металла не всегда соответствует указанной в ГОСТе. Это связано с влиянием различных факторов, о которых мы уже упоминали.

Технология закалки, закаливаемость, прокаливаемость и поверхностная закалка сталей

Термическая обработка, при которой заготовка нагревается выше критических точек, выдерживается и быстро охлаждается для достижения неравновесной структуры (табл. 1.13). В этом случае охлаждение должно происходить со скоростью выше критической точки.

Характеристики, производительность и назначение полимеризации

Путем полиморфной трансформации

Без полиморфного преобразования

Читайте также.

Сопутствующая полиморфная трансформация (изменение типа ткани) при нагревании и охлаждении

необходимое растворение вторичных фаз достигается без полиморфного превращения

Нагрев выше определенных температур (критических точек), поддерживая достаточно быстрый нагрев и охлаждение для подавления диффузионных превращений.

Назначение и функции

Получение пересыщенного твердого раствора, т.е. неравновесной структуры.

В большинстве случаев это не окончательная процедура, а предварительный этап к лечению или старению.

Непрерывная, прерывистая, постепенная, изотермическая, холодная обработка

Непрерывный, постепенный, изотермический

Основной целью закалки является достижение высокой твердости, прочности и износостойкости.

На результат закалки влияют два основных фактора: скорость охлаждения и температура нагрева.

Необходимая скорость охлаждения определяется охлаждающей средой. Кривая изотермического распада аустенита (см. рис. 1.35) показывает, что быстрое охлаждение необходимо в области наименьшей стабильности аустенита (550 °C) и, наоборот, медленное охлаждение крайне желательно в области мартенситного превращения, чтобы значительные микроструктурные напряжения (из-за увеличения объема во время превращения) не добавлялись к термическим напряжениям, возникающим в результате быстрого охлаждения.

Наиболее часто используемыми тушителями являются вода, масло, расплавленные соли и щелочи, а также синтетические тушители.

и водные растворы характеризуются высокими скоростями охлаждения как в области пониженной стабильности аустенита, так и в области мартенситного превращения. Это отрицательно влияет на прочность закаленной стали и приводит к деформациям и трещинам из-за высоких остаточных напряжений, особенно в крупных деталях. Различные добавки (сода, поваренная соль, каустическая сода) могут увеличить или уменьшить охлаждающую способность воды (мыло, эмульсия, глицерин). Для закалки углеродистых сталей используются вода и водные растворы.

Читайте также: Алюминий: свойства, добыча, применение, покрытия из металла

характеризуется более низкой скоростью охлаждения в диапазоне температур мартенситного превращения по сравнению с водой и водными растворами и используется для сталей с более низкой критической скоростью закалки, т.е. для закалки легированных сталей или сталей с низким содержанием углерода.

Особенностью масла как закалочной среды является то, что его свойства ухудшаются в процессе эксплуатации. Она вызвана окислением масла, контактирующего с нагретой поверхностью изделия, его взаимодействием с оксидами металлов и изменением демпфирующих свойств при изменении температуры. Масло проходит специальную обработку или освежается путем добавления второй дозы для восстановления амортизирующих свойств.

Закалка стали

Закалка — это термическая обработка, заключающаяся в нагреве до температуры выше верхней критической точки AC3 для сталей с осадковой закалкой и выше нижней критической точки AC1.

для сверхпроводящей стали и поддержание ее при этой температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных растворах солей и т.д.).

Закалка придает стали мартенситную структуру и делает ее твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей и делает инструментальные стали более твердыми и износостойкими.

Закалка определяется скоростью и температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и, прежде всего, скоростью охлаждения.

Выбор температуры закалки

Температура нагрева для закалки зависит в основном от химического состава стали. При закалке прекурсорных сталей нагрев следует проводить при температуре на 30-50° выше точки AC3. В этом случае сталь имеет однородную структуру аустенита, который превращается в мартенсит, если сталь охлаждается быстрее критической скорости закалки. Это называется полным возрастным затвердеванием. Когда закаленная осадкой сталь нагревается до температур от AC1 до AC3, часть мартенсита остается в мартенситной структуре и снижает твердость закаленной стали. Это называется неполным затвердеванием.

Лучшая температура закалки для заэвтектической стали на 20-30° выше AC1, т.е. неполная закалка. В этом случае сохранение цементита при нагреве и охлаждении способствует повышению твердости, так как твердость цементита выше, чем твердость мартенсита. Нагретую эвтектоидную сталь не следует нагревать до температуры выше Аст, так как твердость ниже, чем при закалке при температуре выше АС1 из-за растворения цементита и увеличения количества сохранившегося аустенита. Кроме того, при охлаждении от более высоких температур могут возникать большие внутренние напряжения.

Скорость охлаждения.

Чтобы получить мартенситную структуру, аустенит должен быть переохлажден путем быстрого охлаждения стали до температуры менее стабильного аустенита, т.е. 650-550°C.

В диапазоне температур мартенситного превращения, т.е. ниже 240°C, более подходящим является медленное охлаждение, так как образующиеся структурные напряжения успевают выровняться, а твердость образующегося мартенсита практически не снижается.

Выбор подходящей закалочной среды очень важен для успешной термообработки.

Читайте также: Какой тип ТВЧ для сварки натяжных потолков?

Наиболее распространенными закалочными агентами являются вода, 5-10%-ные водные растворы едкого натра или поваренной соли и минеральное масло. Вода при температуре 18°C может быть рекомендована для закалки углеродистых сталей; масло подходит для закалки большинства легированных сталей.

Закаливаемость и прокаливаемость стали.

При закалке стали важно знать ее прокаливаемость и прокаливаемость. Эти свойства не следует путать.

Твердость указывает на способность стали увеличивать твердость при закалке. Некоторые стали обладают плохой прокаливаемостью, т.е. не имеют достаточной твердости после закалки. Такие стали называются «незакаленными».

Закаливаемость стали зависит в основном от содержания углерода. Это объясняется тем, что твердость мартенсита зависит от степени деформации его кристаллической решетки. Чем меньше углерода содержится в мартенсите, тем меньше деформация кристаллической решетки и тем ниже твердость стали.

Полосы прокаливаемости разных марок

Значения удельной прокаливаемости для различных марок стали указаны в ГОСТ 5657-69. Этот параметр может быть определен разными способами, но нормативный документ придерживается методики окончательной закалки. Перечислим отдельные этапы теста.

• Из стали, показатель прокаливаемости которой нужно узнать, изготавливают образец цилиндрической формы.
• Далее заготовку нагревают в специальных печах до температуры закалки, а затем выдерживают в течение 30 минут в этих же условиях.
• По истечении установленного времени образец крепят на закалочную установку с помощью кронштейнов и охлаждают мощной струей воды.
• Далее с двух противоположных сторон с образца снимают две лыски, которые представляют собой продольные площадки. Глубина лысок не превышает 0,5 мм.
• Следующий шаг подразумевает измерение твердости от торца вдоль лыски. Замеры проводят каждые 1,5 мм.

Данные, полученные в результате измерений, используются для построения диаграммы или графика прокаливаемости. Используется стандартная система координат, в которой значение твердости откладывается по вертикали, а расстояние от замерзшей поверхности — по горизонтали. Затем точки соединяются в линии. Поскольку значение зависит от химического состава металла и некоторых других параметров, для каждой марки существует не одна, а две кривые — например, для стали 40. Первая показывает верхний предел прокаливаемости, вторая — нижний.

В результате получается график с двумя линиями, представляющими диапазон прокаливаемости материала. Следует отметить, что эти полосы не всегда выглядят так же, как диаграммы ГОСТа, из-за внешних факторов, которые могут повлиять на результаты процесса.

Виды закалки стали

Существуют различные методы закалки металла. Их выбор зависит от состава стали, типа изделия, требуемой твердости и условий охлаждения. Распространены ступенчатый, изотермический и легкий отпуск.

Закаливание в одной среде

Если мы посмотрим на кривые охлаждения для различных методов закалки, то увидим, что кривая 1 соответствует закалке в одной среде. Этот тип закалки легко выполнить. Однако он подходит не для всех стальных деталей. Быстрое снижение температуры приводит к температурным аномалиям в стали переменного сечения и к высоким внутренним напряжениям. Это может привести к деформации и трещинам в стальной детали.

Рисунок 2. Кривые охлаждения .

Высокое содержание углерода в стальных компонентах может привести к объемным изменениям структурных напряжений, что в свою очередь может привести к образованию трещин.

Эвтектоидные стали простой формы лучше закаливать в той же среде. Для закалки более сложных форм используется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Двойная средняя закалка (кривая 2 на рисунке 2) используется для инструментов из высокоуглеродистой стали. Сам процесс заключается в том, что сталь сначала охлаждается в воде до 300-400 градусов Цельсия, а затем помещается в среду с маслом, где остается до полного охлаждения.

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (кривая 3) стальное изделие сначала помещают в соляную ванну. Сама ванна должна поддерживаться при температуре, превышающей температуру мартенситного превращения (240-250 °C). После соляной ванны сталь либо купают в масле, либо обрабатывают на воздухе. Постепенное закаливание не вызывает деформации или растрескивания.

Недостатком этого вида закалки является то, что его можно использовать только для прутков углеродистой стали с небольшим сечением (8-10 мм). Прогрессивная закалка может использоваться для деталей из легированной стали с большим поперечным сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическая закалка на графике соответствует кривой 4. Закалка производится так же, как и прогрессивная закалка. Однако сталь находится в горячей ванне дольше. Это делается для того, чтобы вызвать полный распад аустенита. На диаграмме ограничение показано на линии S между точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может быть охлаждена так быстро, как это необходимо. Расплавленные соли могут использоваться в качестве охлаждающих жидкостей.

Преимущества изотермической закалки:

Читайте также: Резка металла гильотиной: любое количество с гарантией качества.

• сталь почти не поддается короблению;
• не появляются трещины;
• вязкость.

Светлая закалка

Для этого процесса закалки требуется печь, оснащенная специальной защитной атмосферой. Для получения чистой и блестящей поверхности закаленной стали необходим процесс закалки. После закалки сплав охлаждается в расплавленной щелочи. Перед закалкой стальную заготовку нагревают в ванне с хлоридом натрия до температуры на 30-50 °C выше критической точки As1 (см. «Диаграмма критической точки»). Заготовка охлаждается в ванне до 180-200 °C. Охлаждающая среда представляет собой смесь 75 % раствора едкого кали, 25 % раствора каустической соды, к которой добавляется 6-8 % воды (исходя из веса соли).

Как избежать образования окалины и обезуглероживания при закалке

Многие стальные детали после обработки подвергаются закалке. В таких случаях недопустимо, чтобы поверхность стала неровной или на компонентах образовалась окалина. Существуют методы закалки стальных деталей, которые позволяют избежать этих проблем. Закалка в атмосфере защитного газа, вводимого в полость нагревательной печи, может считаться наиболее прогрессивным из этих методов. Следует отметить, что этот метод используется только в том случае, если отопительная печь полностью герметична.

На фотографии показан процесс гидроструйной обработки на стане горячей прокатки — удаление соли.

Более простой способ избежать раскисления поверхности металла во время закалки — использовать лом чугуна и отработанные газификаторы. Чтобы защитить поверхность заготовки во время нагрева, ее помещают в специальный резервуар, в который предварительно заливается материал. Снаружи резервуар покрыт глиной для предотвращения попадания окружающего воздуха в резервуар и запуска процессов окисления.

Если металл после закалки охлаждается не в масле, а в соляной ванне, его следует регулярно (не менее двух раз в смену) раскислять, чтобы предотвратить выветривание поверхности заготовки и образование оксидов. Для раскисления соляных ванн можно использовать борную кислоту, бурую соль или древесный уголь. Последний обычно помещают в специальную мензурку с крышкой и несколькими отверстиями в стенках.

Такой стакан следует очень осторожно погружать в соляную ванну, потому что в этот момент на его поверхности вспыхивает пламя, которое через некоторое время снова гаснет.

Дефекты при закаливании стали

1. Недостаточная твердость. Возникает если была низкая температура нагрева, малая выдержка при рабочей температуре или имело место недостаточная скорость охлаждения. Можно исправить: применить более энергичную среду; сделать отжиг, а затем закалить.
2. Перегрев. Происходит если стальная деталь нагревается до температуры, превышающей допустимую. При перегреве образуется крупнозернистая структура, что приводит к хрупкости детали. Можно исправить: с помощью отжига и закалки при нужной температуре.
3. Пережог. При нагреве стальной детали до высокой температуры, близкой к температуре плавления (1200–1300 градусов) в окислительной атмосфере. Внутрь стальных изделий проникает кислород, по границам зерен формируются окислы. Такая сталь не исправляется.
4. Окисление и обезуглероживание. В этом случае на поверхности стальных деталей образуются окалины (окислы), а в поверхностных слоях стали выгорает углерод. Этот брак исправить невозможно. Для предупреждения брака следует пользоваться печами с защитной атмосферой.
5. Коробление и трещины. Возникают из-за внутренних напряжений. Трещины — это неисправимый брак. Коробление можно удалить при помощи рихтовки или правки.

При быстром охлаждении стальных изделий во время закалки существует риск возникновения значительных внутренних напряжений, которые могут привести к деформации материала и, в некоторых случаях, к образованию трещин. Чтобы избежать этого, предпочтительнее, по возможности, закаливать стальные детали в масле. Углеродистую сталь, где такое охлаждение невозможно, лучше всего охлаждать в воде.

Помимо охлаждающей среды, на остаточное напряжение стальных изделий также влияет способ их погружения в охлаждающую среду. В частности:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда нет необходимости закаливать не всю деталь, а только ее часть. В этом случае применяется местная закалка. Деталь не нагревается полностью, но вся деталь погружается в закалочную жидкость.