CC BY
85
УДК 62-1/-9
ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ ПРИ ЗАКАЛКЕ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ДОЗВУКОВОМ ВОЗДУШНОМ И ВОДОВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
Д.А. Иванов1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики,
192171, Санкт-Петербург, ул. Седова 55/1
Проведены сравнительные исследования прокаливаемости конструкционых сталей при охлаждении в воде, масле и пульсирующем дозвуковом водовоздушном потоке. Установлено, что для средне- и высоколегированных сталей использование в качестве охлаждающей среды пульсирующего воздушного потока более рационально, так как эта среда охлаждения не только обеспечивает требуемую прокаливаемость, но и более экономичная и экологически чистая, а также приводик к наименьшим деформациям за счёт снижения уровня напряжений.
Ключевые слова: прокаливаемость сталей; химический состав; стандартный образец; устойчивость аустенита; твердость по сечению.
В процессе ремонта машин и агрегатов коммунального и бытового назначения, автотранспортных средств и другой техники может применяться такой вид упрочняющей термической обработки, как закалка деталей изготавливаемых из конструкционных сталей. Важнейшей характеристикой такой обработки является прокаливаемость, характеризующая способность стали закаливаться на определённую глубину и, следовательно, - обеспечивать необходимые для функционирования детали механические свойства.
Среди многочисленных факторов, влияющих на прокаливаемость стали, наиболее существенными и традиционно представляемыми являются химический состав, размер зерна аустени-та, исходные микроструктура и фазовый состав, а также интенсивность охлаждения при закалке. При анализе влияния этих факторов следует учитывать, что они по-разному могут влиять на устойчивость аустенита в перлитной и бей-нитных областях. Однако известно, что приложение нагрузок и последующее пластическое деформирование оказывает определённое влияние на распад ау-
стенита: при растяжении распад ускоряется, а при сжатии - замедляется.
Прокаливаемость стали 40Х оценивалась с помощью стандартных образцов: диаметр образца - 25мм, длина
- 150 мм. Образцы предварительно нагревались в печи до температуры 860 °С и затем выдерживались при этой температуре 15-20 минут. Дале производилось охлаждение в воде, масле и пульсирующем дозвуковом водовоздушном потоке. Каждый образец после того или иного закалочного охлаждения разрезался поперек на расстоянии 20 и 40 мм от торца,- именно в этих сечениях и определялась твёрдость. При этом замер твёрдости производился в разных точках по диаметру образца с шагом в 2 мм. По результатам замеров твёрдости по сечениям образцов были построены графики (рис. 1).
Известно, что твёрдость закалённой стали при определённом содержании углерода зависит от содержания мартенсита в структуре. Для стали с содержанием углерода 0,4% твёрдость 50
- 51 ИЯС в центре заготовки соответствует приблизительно 85% мартенсита
при охлаждении в воде, а твердость 52 -53 HRC соответствует 90 - 95% мартенсита при охлаждении в масле или в водовоздушной смеси. Таким образом, прокаливаемость стали 40Х в сечении диаметром 25мм при охлаждении в водовоздушной смеси соответствует про-каливаемости стали при охлаждении в масле. Некоторое локальное повышение твёрдости на расстоянии 8-10 мм от поверхности образца, которое имеет место при охлаждении в масле или в водовоздушной смеси, очевидно, связано с влиянием напряжений.
расстояние от поверхности, мм
расстояние от поверхности, мм
Рисунок 1 - Распределение твёрдости по сечению образцов из стали 40Х: а - на расстоянии 20 мм от торца; б - на расстоянии 40 мм от торца. Температура нагрева 860 °С, закалочная среда: I - вода; II - масло; III - пульсирующий дозвуковой водовоздушный поток.
При закалке в воде наблюдается равномерное снижение твёрдость при удалении от поверхности на расстояние более 4 мм. Для закалки типично формирование растягивающих напряжений перед началом структурных превращений в осевой зоне детали, обусловленное увеличением удельного объёма стали при структурных превращениях в поверхностной зоне. Поэтому возможна
компенсация положительного влияния интенсификации охлаждения на структуру и механические свойства стали отрицательным влиянием растягивающих напряжений. Следовательно, можно влиять на структуру и свойства стали не только за счёт регулирования скорости охлаждения, но и за счёт формирования внутренних напряжений определённого знака в закаливаемых деталях. Если в процессе закалки есть возможность за счёт внешнего воздействия изменять величину напряжений в изделиях, то это позволит регулировать прокаливаемость стали при одновременном воздействии на величину остаточных напряжений, а, следовательно, на деформацию и коробление. Воздействие пульсаций воздушного или водовоздушного потока в процессе закалки изменяет величину закалочных напряжений и позволяет влиять на формирование структуры и свойств материала в желаемом направлении.
Известно, что при определении прокаливаемости углеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей наиболее распространён метод торцевой закалки (ГОСТ 5657-69). Здесь цилиндрический образец диаметром 25 мм и длиной 100 мм, нагретый до температуры закалки, охлаждают только с торца струёй воды под определённым давлением. При этом скорость охлаждения образца в зависимости от расстояния от торца меняется от 300 до 25 °С/с. После охлаждения образца с его поверхности вдоль образующей цилиндра сошлифовывают слой на глубину 0,2 мм и измеряют твёрдость на различном расстоянии от охлаждённого торца с интервалом 1,5 мм между каждым замером. Поскольку при обработке пульсирующим дозвуковым потоком не представляется возможным охлаждать сталь
в аналогичных условиях, то для получения сравнительных результатов использовались образцы, аналогичные используемым при торцевой закалке, с разрезанием их после закалки на расстоянии 20 и 40мм от торца для замера твёрдости по диаметру этих сечений, как было описано выше.
В ГОСТ 4543-71 даны значения твёрдости в заготовках сечением с диаметром от S до 100 мм после закалки в воде и в масле для наиболее часто применяемых конструкционных сталей -полосы прокаливаемости. Сравнение значений твёрдости в характерных точках сечения заготовки из стали 40Х диаметром 25мм после закалки в воде и масле по данным ГОСТ 4543-71 со значениями твёрдости в тех же точках сечения образцов из стали 40Х диаметром 25мм, закалённых в пульсирующем дозвуковом водовоздушном потоке (табл. 1 ) позволяет сделать вывод, что значения твёрдости в поверхностном слое и на расстоянии % R от центра для образцов после закалки в пульсирующем водовоздушном потоке аналогичны значениям твёрдости заготовки, закалённой в масле. Т. е. для стали 40Х величину критического диаметра можно принять аналогичным его значению при закалке в масле.
Важным фактором, влияющим на прокаливаемость стали, является её химический состав. Для исследования влияния химического состава стали на прокаливаемость при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном потоке использовались стали 40ХС и 30Х2Н2ВА. Прокаливаемость оценивалась по ранее изложенной методике, при закалочном охлаждении использовались вода, масло, поток воздуха с им-
пульсным воздействием. Результаты замеров твёрдости по сечению образцов приведены в табл. 2.
Значения твёрдости по сечению заготовок из различных легированных сталей при их закалке в пульсирующем воздушном потоке приведены в табл. 3. Полученные результаты позволяют сказать, что использование в качестве закалочной среды пульсирующего дозвукового водовоздушного потока для всех исследованных легированных сталей обеспечивает получение охлаждающей способности, аналогичной охлаждению в масле. При использовании в качестве охлаждающей среды потока воздуха с импульсным воздействием для всех исследованных сталей, кроме стали 40Х, обеспечивается в сечении заготовки диаметром 20 мм получение структуры, состоящей из 90 - 95% мартенсита. Таким образом, уже для сталей типа 40ХС при сечении изделия менее или равном 20 мм можно использовать в качестве закалочной среды поток воздуха с импульсным воздействием. Для более высоколегированных сталей типа 30Х2Н4ВА минимальное сечение заготовки, в котором будет обеспечено получение структуры мартенсита при использовании потока воздуха с импульсным воздействием возрастает до 40 - 50 мм.
Т.о., для средне- и высоколегированных сталей использование в качестве охлаждающей среды пульсирующего воздушного потока ещё более рационально, так как эта среда охлаждения не только экономичная и экологически чистая, но также обеспечивает минимальные деформации при закалке за счёт снижения уровня напряжений.
Таблица 1 - Значения твёрдости в характерных точках сечения заготовки из стали 40Х
диаметром 25 мм
Место измерения твёрдости Твёрдость HRC после закалки
в воде в масле в водовоздушной смеси с импульсной обработкой
полоса прокаливаемости
Поверхность 52-5S 50-56 56-5S
% Я от центра 50-5S 45-55 54-56
Центр 4S-56 40-52 50-52
Таблица 2 - Значения твёрдости в характерных точках заготовок из легированных сталей
диаметром 25 мм после закали в различных средах
Марка стали Место измерения твёрдости Твёрдость. ■ЖС после закалки
в воде в масле в водовоздушной смеси с импульсной обработкой
полоса прокаливаемо-сти
40ХС Поверхность 57 56 56
% Я от центра 47-57 44-54 55-56
Центр 45-56 42-54 54-56
30Х2Н4ВA Поверхность - 54 54
% Я от центра - 54 54
Центр - 50-54 53-54
Таблица 3 - Значения твёрдости в характерных точках сечения заготовок из легированных сталей диаметром 20 мм после закалки в потоке воздуха с импульсным воздействием
Марка стали Место замера твёрдости Твёрдость HRC
40Х Поверхность 40
Центр 30
40ХС Поверхность 54
Центр 54
30Х2Н4ВA Поверхность 55
Центр 52
38ХНМ Поверхность 53
Центр 53
2. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности материалов за счёт воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.
1 Иванов Денис Анатальевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Техническая механика» СПбГУСЭ
Литература
1. Воробьева Г.А., Иванов Д.А., Сизов А.М. Упрочнение легированных сталей термоимпульсной обработкой. Технология металлов. М. 1998, №2, с. 6-8.
