ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СТАЛИ НА ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ МЕТОДОМ ТОРЦЕВОЙ ЗАКАЛКИ

Решение относится к технологическим испытаниям металлов.
Одним из видов таких испытаний является испытание на прокаливаемость, необходимое для оценки восприимчивости стали к эффективному упрочнению закалкой.
Известен способ испытания на прокаливаемость с определением «критического диаметра» - максимального диаметра цилиндрического образца, который прокаливается насквозь в данной среде. Для этого объемной закалке подвергают несколько образцов испытуемого металла различного диаметра и длиной, превышающей диаметр (не менее, чем в 5 раз).
[Гуляев, А.П. Металловедение / А.П.Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. С.264].
Оценка по критическому диаметру - наглядный, но достаточно трудоемкий и металлоемкий способ. Недостатком является также отсутствие в данном методе связи прокаливаемости испытуемой стали с реальными значениями скоростей закалочного охлаждения. Кроме того, фактически способ не подлежит стандартизации, так как не обладает степенью методической законченности, требуемой для стандартных технологических испытаний металлов.
За прототип принимают образец для стандартного испытания стали на прокаливаемость методом торцевой закалки.
[ГОСТ 5657 «Сталь. Метод испытания на прокаливаемость»]
ГОСТ 5657 предусматривает испытание цилиндрического образца диаметром 25 и длиной 100 мм. Указанные размеры стандартного образца являются обязательными, поскольку отклонения от них приводят к изменению условий закалочного охлаждения, влияющих на результаты испытаний.
Испытание состоит в том, что цилиндрический образец, нагретый до температуры закалки, охлаждают струей воды, направленной на один из торцов таким образом, чтобы боковая поверхность и противоположный торец охлаждались на воздухе.
Благодаря такой тепловой схеме скорость охлаждения образца уменьшается (характеризуясь определенными значениями, реализуемыми в реальной закалке изделий) по мере удаления от водоохлаждаемого торца, формируя после закалки закономерное распределение твердости в точках, расположенных на различных расстояниях от этого торца,
Прокаливаемость испытуемой стали оценивается по уровню и характеру распределения твердости на закаленном таким образом образце. С этой целью на боковой поверхности по всей длине закаленного образца шлифовкой выполняют две диаметрально противоположные площадки для измерений твердости в точках, расположенных на различных расстояниях от водоохлаждаемого торца.
Фактически использование данного испытания возможно лишь в случае, если габариты изделия, от которого отбирается проба, позволяют получить испытуемый образец в регламентируемых стандартом размерах. Тем самым исключается проведение испытания стали в изделиях, габариты которых не удовлетворяют этому условию. В частности, невозможны испытания листового проката, толщиной менее 25 мм.
Задачей настоящего решения является создание образца, позволяющего проводить испытание стандартным методом торцевой закалки стали на пробах, отбираемых из малогабаритных изделий.
Технический результат - расширение области применения испытания стали на прокаливаемость стандартным методом торцевой закалки, как эффективного способа оценки технологического качества стали.
Этот технический результат достигается тем, что в образце для испытания стали на прокаливаемость методом торцевой закалки, имеющем стандартную цилиндрическую форму и размеры, на водоохлаждаемом торце выполнен сквозной паз, в который установлена сменная прямоугольная пластина из испытуемой стали; паз имеет следующие размеры: ширину 3÷10 мм, глубину 5÷25 мм, в зависимости от размеров пластины и, соответственно, габаритов металлоизделия, из которого изготовлена пластина, и условий ее запрессовки в паз.
Таким образом, предлагаемый образец является составным, состоящим из базовой детали и рабочей пластины, изготовленной из испытуемой стали. Это позволяет проводить испытания на прокаливаемость стали в изделиях практически любых габаритов, в частности, листового проката незначительной толщины, и при этом многократно использовать базовую деталь. Тем самым сокращаются затраты, связанные с изготовлением для каждого испытания образца стандартной формы.
Кроме того, компактность испытуемой части образца (пластины, установленной в базовую деталь) позволяет более точно производить измерения твердости и расстояния от торца.
Более глубокий паз и соответствующий размер пластины выбирается для стали с большей прокаливаемостью. Однако, учитывая, что в данном способе закалки скорость охлаждения в точках, отдаляющихся от водоохлаждаемого торца более, чем на 25 мм, практически остается постоянной, глубина паза ограничивается данной величиной.
Ширина паза и соответствующий размер пластины выбирается из условий, с одной стороны, обеспечивающих минимизирование габаритов металлоизделия, из которого отбирается проба, и удобство изготовления пластины, с другой стороны - обеспечения требуемой жесткости запрессовки.
В процессе нагрева под закалку, благодаря тепловому расширению металла как базовой детали, так и рабочей пластины, степень запрессовки возрастает, что способствует установлению градиента скорости закалочного охлаждения образца, идентичного градиенту в стандартном испытании.
Предлагаемый образец приведен на чертежах: фиг.1 - общий вид, фиг.2 - вид снизу. Образец состоит из базовой детали 1 в форме сплошного цилиндра диаметром 25 мм и длиной 100 мм (ГОСТ 5657), изготавливаемой из произвольной стали (поскольку теплофизические свойства стали базовой детали не влияют на результаты испытания), и прямоугольной пластины 2, изготавливаемой из испытуемой стали и запрессовываемой в сквозной паз 3, выполненный на торце детали 1.
Глубина паза 3 составляет 5÷25 мм. При этом минимальная и максимальная глубина выбирается из условия обеспечения достаточности для прогнозирования в данном испытании реальной прокаливаемости любой стали: для возможности испытания стали с минимальной прокаливаемостью глубина паза и соответствующий размер пластины, установленной в паз, должна составлять не менее 5 мм; для стали, характеризующейся большей прокаливаемостью, требуется паз большей глубины. При этом учитывается также, что (как известно из практики данного испытания) скорость закалочного охлаждения в точках, отстоящих от водоохлаждаемого торца более, чем на 25 мм, практически остается постоянной. Поэтому максимальная глубина ограничивается величиной 25 мм.
Ширина паза составляет 3÷10 мм и определяется габаритами металлоизделия, из которого отбирается пластина 2, и условия жесткости запрессовки ее в пазу 3.
Использование образца предполагает следующее.
Из пробы испытуемого металла изготавливают пластину 2 размеры, которой соответствуют размерам паза 3, и закрепляют ее на базовой детали 1.
Подготовленный в таком виде образец подвергается закалке на специальной установке, предусматриваемой ГОСТ 5657.
После закалки пластину выпрессовывают и испытают на твердость по методике, предусматриваемой ГОСТ 5657, по результатам которого оценивают прокаливаемость.
Пример.
Проводили испытание на прокаливаемость стали марки 20, производимой по специальным техническим условиям в листовом горячекатаном прокате толщиной 5,8 мм. Металл предназначен для высоко нагруженных холодно штампуемых автомобильных деталей, упрочняемых закалкой до твердости не менее HRB 98. Закалка осуществляется со сквозным индукционным нагревом и с охлаждением в потоке быстродвижущейся воды.
Испытание производили на образце, состоящем из базовой детали с пазом, имеющим размеры 5×15 мм (ширина и глубина, фиг.1) и выполненном фрезерованием, и рабочей пластины, запрессованной в паз.
+0,05
Пластина, изготовленная из отобранной пробы проката, имела размеры 25×15×5 мм (фиг.1 и 2), что позволило осуществить ручную запрессовку, и не потребовало подгонки образца в сборе под размеры, регламентируемые стандартным испытанием в торцевой закалке, а также исключить дополнительную шлифовку под измерение твердости после закалки.
Закалку образца производили согласно ГОСТ 5657: образец в течение 40 минут нагревали до температуры, используемой в закалке данной стали, и подвергали полному охлаждению под воздействием водяной струи, направленной на торец с запрессованной пластиной.
После закалки пластина выпрессовывалась (вручную) для измерений твердости. Измерения производились по процедуре, аналогичной установленной ГОСТ 5657: с двух противоположных плоско параллельных граней пластины, выступающих из базовой детали, на твердомере типа Роквелла, с фиксированием результатов в единицах HRB. Расстояния от торца до точек измерения твердости определяли на инструментальном микроскопе с точностью до 0,1 мм.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Измерения на первой грани
Измерения на второй грани
Расстояния от торца, мм
HRB
Расстояния от торца, мм
HRB
1,7
100
2,0
100
3,2
95
3,8
93,5
4,8
91,5
5,8
93
6,6
88,5
8,0
87,5
8,2
85,5
10,2
85
11,6
82,5*
11,7
84
* исходная перед закалкой твердость
Как видно из таблицы, предлагаемый образец позволил получить данные, необходимые для оценки восприимчивости к закалке стали, произведенной в прокате толщиной 5,8 мм.