5. Прокаливаемость

Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее — в сердцевине.

Рис. 233. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению и в связи с этим несквозную прокал иваемость

При закалке скорость охлаждения распределяется по сечению так, как это показано на рис. 233, а, 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. 233, а).

Очевидно, с уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если будет меньше скорости охлаждения в центре, то это сечение закалится насквозь. Если

сечение велико и скорость охлаждения на поверхности меньше то при данном способе закалки сталь не закалится даже на поверхности.

Следовательно, чем меньше тем глубже прокаливаемость. Прокаливаемость, как и 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. 233, б. Для данной стали при данных условиях охлаждения на поверхности получится мартенситная структура, в центре — перлитная, на расстоянии половины радиуса получится мартенсит тростит.

Если С-кривая располагается правее, чем показано на рис. 233, 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.

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 значения ч. ц.

Таким образом, все перечисленные факторы, которые снижают скорость аустенито-перлитного превращения, способствуют углублению прокаливаемости.

Для практической оценки прокаливаемости пользуются величиной, которая называется критическим диаметром.

Критический диаметр — это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Следовательно, для данной стали каждой закалочной среде соответствует свой критический диаметр. Очевидно, чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше величина критического диаметра.

На рис. 234 показана глубина закалки (незаштрихованная часть сечения) закаленных в воде и масле образцов различного диаметра

одной и той же стали. Распределение закаленной и незакаленной зон показывает, что для каждого охладителя есть максимальное сечение, прокаливающееся насквозь причем так как масло охлаждает медленнее, чем вода.

Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимости от способа охлаждения, вводят понятие идеальный критический диаметр (обозначается Это — диаметр максимального сечения, прокалив» ющегося насквозь в «идеальной» жидкости, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью.

Рис. 234. Прокаливаемость прутков различного размера при закалке в воде и масле (заштрихована незакаленная сердцевина)

Критический диаметр — важная и удобная величина при назначении марки стали на изделие.

Если нужно, чтобы изделие при термической обработке прокаливалось насквозь, следует выбрать такую сталь, чтобы критический диаметр был больше диаметра изделия.

Сталь обычно характеризуется критическим диаметром или или

Зная один из критических диаметров, можно по номограмме (рис. 235) определить любой другой (т. е. если известно, например можно определить или ).

Предположим, что нам известен идеальный критический диаметр который равен, например, 48 мм. Зная можно определить по этой номограмме (рис. 235) реальный критический диаметр для закалки в воде, масле и на воздухе. Для этого от точки 48 мм на верхней шкале абсцисс опускаем перпендикуляр до линии, характеризующей «идеальное» охлаждение и на уровне пересечения 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; они соответственно будут равны 38; 26 и 3 мм.

Наиболее удобный и простой метод определения прокаливаемости и, следовательно, экспериментального определения «идеального» критического диаметра — метод торцевой закалки.

Схема охлаждения образца при определении прокаливаемости методом торцевой закалки показана на рис. 236. Очевидно, что только при таком охлаждении нижний торец охлаждается с максимальной скоростью, и скорость охлаждения убывает по мере удаления от торца. Измерив после закалки твердость на поверхности по длине образца и представив полученные результаты графически, у глубоко

прокаливающейся стали получим плавное снижение твердости (кривая 2 на рис. 237), а у неглубоко прокаливающейся стали (кривая 1, на рис. 237) — резкое уменьшение твердости.

Рис. 235. (см. скан) Номограмма для определения прокаливаемости

Рис. 236. Схема закалки образца при испытании на прокаливаемость методом торцевой закалки

Рис. 237. Твердость по длине образца после торцевой закалки: 1 — неглубоко прокаливающаяся сталь; 2 — глубоко прокаливающаяся сталь

Экспериментально установлено, какая скорость охлаждения получается в зависимости от расстояния от торца. Величина скорости охлаждения показана в верхней части диаграммы (рис. 237). Из диаграммы видно, что на расстоянии 6 мм от торца скорость охлаждения на расстоянии 18 мм —

Кривые, приведенные на рис. 237 — первичные кривые прокаливаемости. Согласно этим кривым можно определить, при какой скорости охлаждения при закалке какая будет получаться твердость. Однако эти первичные кривые прокаливаемости позволяют найти идеальный и реальный критические диаметры.

Снижение твердости при уменьшении скорости охлаждения ниже критической есть результат появления в закаленном изделии немартенситных структур. Однако наличие в структуре 5—10% троостита практически не отразится на твердости, поэтому на кривой прокаливаемости, подобной приведенным на рис. 237, трудно найти эту границу перехода от мартенситной структуры к структуре мартенсит небольшое количество троостита. При более значительном содержании троостита колебания в его количестве уже более резко и определенно отражаются на твердости, поэтому за границу между закаленной и незакаленной зонами принимают так называемый полумартенситный слой.

Рис. 238. Твердость полумартенситной зоны в эавясяиости от содержания углерода

Рис. 239. График для определения полной прокаляваеиости (по данный для полумартенситной прокаливаемости)

Твердость полумартенситного слоя зависит от содержания углерода (рис. 238). Кривые, приведенные на рис. 237 относятся к стали с 0,7 % С (полумартенситная твердость равна Следовательно, полумартенситный слой находится для стали 1 на расстоянии 3 мм, а для стали 2 — на расстоянии 18 мм или твердость получается у стали при охлаждении , а у стали

Чтобы найти критический диаметр, определим значение этих скоростей на шкале ординат рис. 235, и на этом уровне проведем горизонтали до пересечения с наклонными линиями. Точки пересечения покажут идеальный критический диаметр и реальный критический диаметр для разных способов охлаждения. В данном случае для стали 1 равен 25 мм и для стали мм.

Для стали 1 критические диаметры равны: при охлаждении в воде 16 мм, в масле 8,5 мм. Это — максимальные сечения, при закалке которых в воде или в масле полумартенситная структура получается в центре бруска.

Наличие троостита снижает свойства закаленной стали, поэтому значение критического диаметра, определенного по полумартенситной твердости, следует рассматривать как переходную ступень для определения критического диаметра, при котором в центре бруска получается полная закалка мартенсита). Для этого находят (для любого случая охлаждения), как было отмечено раньше, и переходят на На основании графика, приведенного на рис. 239, приближенно можно принять, что критический диаметр почти полной прокаливаемости составляет 3/4 от полумартенситной

Стали одной марки нельзя характеризовать одной линией, как это показано на рис. 237, и одним значением идеального критического диаметра. Колебания в марочном составе, разный размер зерна и другие факторы сильно влияют на

прокаливаемость. Чтобы характеризовать прокаливаемость стали данной марки, строят так называемые полосы прокаливаемости, полученные на основании опытов над большим числом плавок стали данной марки. Имея заранее построенную полосу прокаливаемости, мы, применяя сталь данной марки, можем ожидать, что ее прокаливаемость будет находиться в пределах этой полосы (рис. 240).

Соответственно марку стали характеризуют минимальный и максимальный критический диаметры, что зависит от колебаний состава. Стали, в которых содержание углерода и легирующих элементов находятся на верхних пределах, имеют и более глубокую прокаливаемость.

Рис. 240. Полосы прокаляваеиостя сталей

Переходим к рассмотрению влияния прокаливаемости на свойства стали. При сквозной закалке свойства по сечению закаленной стали однородны. При несквозной закалке свойства закаленной стали изменяются от поверхности к центру так же, как изменялись бы свойства у серии тонких образцов, которые получили бы при закалке разную скорость охлаждения. Представляет особый интерес, чем будут отличаться по свойствам стали с различной прокаливаемостью, если последующим отпуском выравнить твердость по сечению. Следует вспомнить, в чем состоит различие свойств продуктов закалки и продуктов закалки и отпуска, т. е. в чем различие пластинчатых и зернистых структур.

Зернистые структуры при одинаковой твердости обладают более высокими значениями (предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость), чем пластинчатые. Поэтому в целом насквозь прокаленное сечение после закалки и высокого отпуска будет обладать высоким комплексом механических свойств.

Распределение механических свойств по сечению сталей с различной прокаливаемостью схематически показано на рис. 241.

У образца (изделия) с несквозной прокаливаемостью (рис. 241, а, б) в сердцевине наблюдается снижение при сквозной прокаливаемости (рис. 241, в) свойства будут одинаковыми по всему сечению.

Таким образом, для получения оптимальных механических свойств в закаленном и отпущенном состояниях необходимо иметь зернистые продукты отпуска по всему сечению, т. е. сквозную прокаливаемость.

Рис. 241. Влияние глубины закалки на механические свойства закаленной и отпущенной сталей различной прокаливаемости

Чем выше должна быть механическая прочность детали, чем больше ее сечение, тем большее значение имеют прокаливаемость и улучшение по всему сечению.