Закаливаемость и прокаливаемость стали

 Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость 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 закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки v_к (рис.1, v_к′″ ), то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость.

Рис.1. Зависимость прокаливаемости от величины критической скорости закалки vк: а и а′ – глубина закаленного слоя; vк′ – критическая скорость охлаждения углеродистой стали; vк″ – критическая скорость охлаждения низколегированной стали; vк′″ – высоколегированной стали (сталь легирована несколькими элементами)

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше v_к (v_к′, v_к″ ), то изделие прокалится только на некоторую глубину а, а′, и прокаливаемость будет неполной. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пластинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает максимум механических свойств – сильно снижается σ_-1 и а_н. В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного слоя со структурой 95 % мартенсита. Критический диаметр для 95 % мартенсита примерно на 25 % меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру из 99,9 % мартенсита составляет ∼ 50 % от полумартенситной (для инструментальных, цементируемых и нитроцементируемых сталей критический диаметр определяется для структуры 95–99 %). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости потому, что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Например, при 0,13–0,22 % С твердость полумартенситной структуры углеродистой стали HRC 25, легированной – HRC 30; при 0,28–0,32 % С соответственно HRC 35 и HRC 40, при 0,43–0,52 % С – HRC 45 и HRC 50 и при 0,53–0,62 % С – HRC 50 и HRC 55.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения (рис.1, v_к″ и v_к′″ ) прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые посадки бора (0,003–0,005 %), менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если же легирующие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они не повышают устойчивость аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливаемость. Сильно влияет на прокаливаемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от балла 6 до 1–2 глубина закаленного слоя возрастает в 2–3 раза, поэтому повышение температуры и увеличение длительности нагрева повышают прокаливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только создают дополнительные центры, способствующие распаду аустенита, но и измельчают его зерно, что также увеличивает критическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали и, в частности твердость, по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению способствует соответствующим изменениям свойств. Распределение твердости по сечению закаленных цилиндров из разных сталей показано на рис.2. При несквозной прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине. Из рис.2 видно, что твердость полумартенситной зоны углеродистой стали в данных условиях обработки имеет критический диаметр 25 мм, хромистой 50 мм и хромоникелевой ∼ 125 мм. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости и пределе прочности по сечению. Однако предел текучести, ударная вязкость и относительное сужение в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строения ферритно–цементитной структуры. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная ферритно–цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Рис.2. Твердость по сечению стали, содержащей 0,4 % С и 0,85 % Mn (а); 0,4 % С; 0,85 % Mn и 1 % Cr (б); 0,4 % С; 3,5 % Ni и 1,5 % Cr (в) 1 – твердость полумартенситной зоны, HRC

Влияние прокаливаемости на механические свойства можно показать на примере. Заготовки из углеродистой стали с 0,45 % С, диаметром 10 мм, прокаливаются в воде насквозь. После отпуска при 550 °С получается структура – сорбит отпуска. Для такой структуры характерны высокие механические свойства: σ_в = 80 кгс/мм²; σ_0,2 = 65 кгс/мм², δ = 16 %; ψ = 50 % и а_н = 10 кгс·м/см². При диаметре заготовки 100 мм и закалке в воде скорость охлаждения в сердцевине значительно меньше критической v_к, и там образуется структура из пластинчатого перлита и феррита. Эта структура обладает более низкими механическими свойствами: σ_в = 70 кгс/мм2; σ_0,2 = 45 кгс/мм²; δ = 13 %; ψ = 40 % и а_н = 5 кгс·м/см². Для получения одинаковых и высоких механических свойств по всему сечению во многих случаях необходимо обеспечить в процессе закалки сквозную прокаливаемоеть.

Прокаливаемость углеродистой стали в небольших сечениях (диаметром до 15–20 мм) можно определить по виду излома закаленных образцов. Часто прокаливаемость определяют по кривым распределения твердости по сечению (рис.2). Для этого образец ломают или разрезают и по диаметру сечения определяют твердость.

Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцовой закалки (ГОСТ 5657–69). Цилиндрический образец определенной формы и размеров (рис.3), нагретый до заданной температуры, охлаждают водой с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по длине (высоте) образца. Так как скорость охлаждения убывает по мере увеличения расстояния от торца, будет уменьшаться и твердость.

Рис.3. Определение прокаливаемости по торцовой пробе: а – изменение твердости по длине образца после торцовой закалки: I – твердость полумартенситной зоны; 1 – сталь с низкой прокаливаемостью; 2 – сталь с высокой прокаливаемостью; б – схема закалки образца

Результаты испытаний выражают графически в координатах твердость – расстояние от охлаждаемого торца. Определив расстояние от торца до участка с твердостью, соответствующей полу мартенситной зоне данной стали, можно по специальным номограммам найти критический диаметр. Чтобы характеристика прокаливаемости стали не была связана с видом охладителя, при использовании номограмм вводят понятие об идеальном критическом диаметре, который является наибольшим диаметром образца, прокаливаемого насквозь, при идеальном охлаждении. Поверхность образца в идеальном охладителе должна мгновенно принимать его температуру, т. е. охлаждение следует проводить с бесконечно большой скоростью. От идеального критического диаметра можно перейти к реальному критическому диаметру, используя номограмму, приведенную на рис.4а. Определим критический диаметр для стали 1 ( рис.3). Для этой стали расстояние от торца до поверхности полумартенситной зоны составляет 10 мм. Для определения критического диаметра на шкале расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны (рис.4а) находим деление 10 и опускаем перпендикуляр до пересечения с линией «идеальное охлаждение». От точки а проводим горизонтальную линию влево до пересечения линией заданной охлаждающей среды – вода (точка б) или масло (точка с). От точек б и с опускаем перпендикуляр до шкалы – критический диаметр. Точки с′ и б′ показывают искомый размер критического диаметра.

Рис.4. Определение критического диаметра прокаливаемости стали: а – номограмма; б - диаграмма

На практике с достаточной точностью критический диаметр может быть определен по графику, представленному на рис.4б. Для этого на оси абсцисс откладывают расстояние от охлаждаемого торца до зоны, имеющей полумартенситную твердость, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой для закалки в масле или воде. Горизонталь, проведенная от этой точки до ординаты, укажет величину D_к. Например, для стали 2 (рис.3) расстояние от торца до зоны с полумартенситной твердостью составляет 19 мм, тогда D_к = 75 мм при закалке в воде и D_к = 50 мм при закалке в масле (рис.4б).

Прокаливаемость даже одной и той же стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от изменений химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. В связи с этим прокаливаемость стали каждой марки характеризуют не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая не всегда отражает действительную прокаливаемость стали в изделии. Полосы прокаливаемости для углеродистой и легированной сталей, содержащей 0,4 % С, наглядно показывающие влияние легирующих элементов, приведены на рис.5.

Рис.5. Полосы прокаливаемости для стали различного состава: а – 0,4 % С; б – 0,4 % С + 1,0 % Cr; в – 0,4 % С + 1,5 % Cr + 0,18 % Mo; 1 – твердость полумартенситной зоны