Процесс закалки стали

1.10 Процесс закалки стали

Закалка стали служит для повышения прочности, твердости, упругости, износостойкости. Процесс закалки состоит в нагреве на 30…50˚С выше критической точки нагрева Ас₃≈880˚С для доэвтектоидных сталей (полная закалка) и выше критической точки Ас₁=727˚С для заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этих температурах и быстром охлаждении. Охлаждающими средами могут быть вода, минеральное масло, воздух, водные растворы солей, щелочей, расплавы солей. При закалке образуются неравновесные структуры с соответствующими механическими свойствами: при полной закалке – мартенсит, при неполной – мартенсит с зернами цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки Ас₁, но ниже Ас₃, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита. В результате закалки понижается пластичность сталей.

Скорость нагрева и время выдержки при закалке зависят от химического состава стали, размеров, массы конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей нагревают более медленно и с большей выдержкой, чем детали из низкоуглеродистых сталей. С целью уменьшения возможных деформаций увеличивают время нагрева для деталей, более сложных по конфигурации и имеющих большую массу.

Нагрев осуществляют в нагревательных термических печах и печах-ваннах, подогреваемых электрической энергией или сгорающими газом, мазутом, углем.

1.11 Управление типом структуры, образующейся при закалке

При закалке сталь приобретает неравновесные структуры с соответствующими механическими свойствами. При полной закалке структура стали – мартенсит, при неполной закалке – мартенсит с зернами цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки нагрева Ас₁=727˚С, но ниже критической точки Ас₃≈880˚С, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита.

Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу. Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство, как прокаливаемость, т.е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше критическая скорость закалки, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка.

1.12 Понятия “закаливаемость” и “прокаливаемость”

Закаливаемость стали – это ее способность приобретать максимально высокую твердость после закалки. Она возрастает с увеличением содержания углерода. Углеродистые стали, содержащие менее 0,3 % углерода, не закаляются.

Прокаливаемость – глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости.

1.13 “Полоса прокаливаемости”. Описание “полосы прокаливаемости” стали, заданной номером рисунка в варианте задания

В заданном варианте рассматривается “полоса прокаливаемости” для стали марки 38ХС (чертеж 11).

Полоса прокаливаемости – линии верхней и нижней границы, между которыми должны укладываться кривые прокаливаемости HRC(z) всех плавок. Кривая прокаливаемости – Распределение твердости HRC(z) с расстоянием z от торца образца цилиндра. Полосу прокаливаемости нормируют для каждой конструкционной стали ГОСТ 1050 и ГОСТ 4543.

Рассмотрим полосу прокаливаемости для стали марки 38ХС.

На графике изображены кривые прокаливаемости. Кривые прокаливаемости показывают зависимость твердости HRC от Rt(расстояние от охлаждаемого торца образца). Измерение расстояний Rt во время испытаний находится в промежутке (1<=Rt<=35) мм с интервалом измерений ΔRt=1,5 мм.

При Rt=1мм 46<HRC<57

При Rt=18мм 34<HRC<51

При Rt=30мм 29<HRC<46

Чем больше расстояние от охлаждаемого образца, тем хуже прокаливаемость, и следовательно твердость (HRC).

Проанализируем таблицы соответствия между величиной HRC(z) и диаметром прутка (d).

1). Спокойная вода.

На поверхности HRC=96, независимо от диаметра прутка (d).

Прокаливаемость в центре прутка и ¾R от центра зависит от диаметра прутка.

В центре прутка HRCmax=92 при d=25,5–27мм

2). Спокойное масло.

В данной закалочной среде прокаливаемость изменяется на поверхности прутка в зависимости от его диаметра.

HRCmax=98 при d=19,5–27мм. (поверхность).

HRC=92 при d=25,5–27мм. (¾R от центра).

HRC=75 при d=27мм. (центр прутка).

Вывод:

1). С ростом диаметра прутка, HRC(d) увеличивается до определенного значения.

2). Максимальной закаливаемости HRC=176 можно добиться в спокойной воде на расстоянии ¾R от центра, при d=22,5мм

3). Закаливаемость стали выше в спокойной воде, при любом диаметре прутка и в различных местах замера твердости.