Określić hartowność stali konstrukcyjnej metodą hartowania od czoła.
Cel zadania: poznanie metody hartowania od czoła - próby Jominy'ego oraz wyznaczenie metodą wykreślną średnicy krytycznej D5 0 stali o znanej zawartości węgla i ocena jej hartowności.
Wytyczne pobierania i przygotowania próbek
Odcinek próbny jest to część wyrobu, z której zostanie wykonana próbka do badania hartowności. Dla wyrobów o średnicy lub grubości do 40 mm odcinek próbny stanowi odcinek wycięty z wyrobu. Z wyrobów o średnicy lub grubości powyżej 40 mm wycina się odcinki próbne o średnicy lub grubości 40 mm, równolegle do osi wyrobu, tak aby oś odcinka próbnego przebiegała w odległości 20 mm od powierzchni wyrobu (rys. 8.2). Przed wykańczającą obróbką mechaniczną odcinki próbne poddaje się wyżarzaniu normalizujące-mu w temperaturze Ac3+(30÷50°C) przez 30 ±5 minut. Próbki wykonuje się tak, aby ich oś pokrywała się z osią odcinków próbnych. Wymiary próbki podano na rys. 8.3.
135
Rys. 8.2. Miejsce pobierania odcinków próbnych
Rys. 8.3. Wymiary próbki do badania hartowności
Urządzenie do przeprowadzenia próby hartowności
Schemat urządzenia do przeprowadzenia próby przedstawiono na rys. 8.4.
Urządzenie to powinno zapewnić:
• współosiowe ustawienie próbki w stosunku do dyszy,
• prostoliniowe ułożenie przewodu wodnego przed dyszą na długości min.
50 mm, zabezpieczające przed wirującym wypływem wody,
• utrzymanie stałej odległości od czoła próbki do wylotu dyszy, wynoszącej 12,5 + 0,5 mm,
• przed umieszczeniem próbki uzyskanie stałej wysokości wypływu swobod
nego wody z dyszy, wynoszącej 65+10 mm i utrzymanie jej w czasie próby.
20
20 20
Rys. 8.4. Schemat urządzenia do przeprowadzenia próby hartowania od czoła; 1 - przewód wodny, 2 - zawór, 3 - dysza, 4 - uchwyt do próbek, 5 - próbka, 6 - przesłona, 7 - ekran
pierścieniowy
Średnica wewnętrzna wylotu dyszy wynosi 12,5±0,5 mm. Temperatura wody chłodzącej powinna wynosić 5÷30°C.
Wykonanie próby
Przed hartowaniem (oziębianiem) próbkę należy austenityzować w tem-peraturze hartowania określonej w normie dla danego gatunku stali lub
w temperaturze Ac3+(30÷50°C). Czas wygrzewania w danej temperaturze wy-nosi 30 ±5 minut. Czas nagrzewania do wymaganej temperatury wyznacza się doświadczalnie lub obliczeniowo. W cza-sie grzania próbka powinna ulec na-węgleniu, odwęgleniu lub utlenieniu.
W przypadku braku pieca z atmosferą ochronną, należy stosować osłony próbki pokazane na rys. 8.5.
Nagrzaną próbkę należy wyjąć z pie-ca i osłony (gdy jest stosowana) i umieś-cić w uchwycie urządzenia hartownicze-go, a następnie otworzyć zawór wodny.
Czas zużyty na te czynności nie powinien przekroczyć 5 sekund. Czoło próbki na-leży oziębiać przez co najmniej 10 minut.
Zahartowaną próbkę należy zeszlifować
Rys. 8.5. Osłona próbki przed odwęgleniem przy wygrzewaniu w piecu komorowym;
1 - osłony z żeliwa lub stali, 2 - wkładka grafitowa, płytki z elektrod węglowych lub
wióry żeliwne
137 wzdłuż dwóch przeciwległych tworzących, zdejmując jednostronnie warstwę od 0,4 do 0,5 mm. Na zeszlifowanych powierzchniach należy wykonać pomiary twardości sposobem Rockwella w skali C wg PN-91/H-04355. Odciski wykonuje się począwszy od zahartowanego czoła próbki w odległościach przedstawionych na rys. 8.6.
Wyniki pomiarów twardości przedstawia się wykreślnie w układzie twar-dość - odległość od czoła próbki (rys. 8.7). Następnie wyznacza się metodą wykreślną średnicę krytyczną D5 0 badanej stali, dla chłodzenia w wodzie o współczynniku Η = 1,5, wykonując kolejno czynności:
Rys. 8.6. Odległości odcisków twardości od czoła próbki
Rys. 8.7. Krzywa hartowności badanej stali
■ z wykresu na rys. 8.8 wyznacza się twardość krytyczną badanej stali dla 50% martenzytu w strukturze, (zawartość węgla w badanej stali podaje prowadzący ćwiczenie),
Rys. 8.8. Wpływ zawartości węgla na twardość po hartowaniu przy różnym udziale martenzytu w strukturze
Rys. 8.9. Korelacja szybkości chłodzenia w danej odległości od czoła próbki Jominy'ego i w osi prętów okrągłych chłodzonych w ośrodkach o różnej intensywności chłodzenia Η
■ na krzywej hartowności (rys. 8.7) zaznacza się twardość krytyczną i odczytuje odpowiadającą jej odległość od czoła próbki,
■ z wykresu na rys. 8.9 wyznacza się dla chłodzenia w wodzie (H = 1,5) średnicę krytyczną D5 0 badanej stali. Rys. 8.9 przedstawia korelację szybkości chłodzenia próbek hartowanych od czoła i prętów okrągłych. Z wykresu
139 można wyznaczyć średnicę pręta chłodzonego w osi z taką samą szybkością, jak próbka Jominy'ego w danej odległości od jej czoła. Ponieważ twardość danej stali zależy tylko od szybkości chłodzenia, dlatego odpowiednie punkty będą miały tę samą twardość.
■ korzystając z wykresu na rys. 8.10, można wyznaczyć idealną średnicę krytyczną D0, czyli przejść z rzeczywistego do idealnego ośrodka chłodzącego,
■ na podstawie kryterium podanego w pkt. 8.3 ocenia się hartowność badanej stali.
Rys. 8.10. Korelacja idealnej średnicy krytycznej D0 i rzeczywistej D5 0 dla różnych ośrodków chłodzących
Zadanie 2
Dobrać gatunek stali na wałek o średnicy 30 mm, który ma być ulepszony cieplnie. W środku przekroju pręta należy uzyskać Re min = 800 MPa, dopusz-czając 50% martenzytu. Hartowanie należy przeprowadzić w oleju, tem-peratura odpuszczania 500°C.
Cel zadania: dobranie gatunku stali na element konstrukcyjny, który w stanie ulepszonym cieplnie ma zapewnić wymaganą granicę plastyczności w osi przekroju. Wykorzystanie pasm hartowności, które stanowią obszar pomiędzy skrajnymi krzywymi hartowności, ustalonymi na podstawie dużej liczby próbek z wytopów określonego gatunku stali.
Rozwiązanie zadania
a) Z rys. 8.11 odczytuje się, że granicy plastyczności Re = 800 MPa odpowiada twardość 29 HRC, którą wałek powinien mieć w środku przekroju po odpuszczaniu.
Rys. 8.11. Korelacja granicy plastyczności Re i wytrzymałości na rozciąganie Rm z twardością ulepszonych cieplnie stali konstrukcyjnych
Rys. 8.12. Korelacja między twardością przed i po odpuszczaniu dla ulepszonych cieplnie
stali konstrukcyjnych
b) Z rys. 8.12 wynika, że twardo-ści 29 HRC po odpuszczaniu w tem-peraturze 500°C odpowiada twardość 35 HRC po hartowaniu. Twardości 35 HRC (przy zawartości 50% mar-tenzytu w strukturze) odpowiada za-wartość węgla ok. 0,25% (rys. 8.8).
c) Na rys. 8.9 odczytuje się, że odległość od czoła próbki Jomi-ny'ego d, gdzie występuje taka sama szybkość chłodzenia jak w osi pręta o średnicy 30 mm przy oziębianiu w oleju, wynosi 13 mm.
d) Punkt o współrzędnych 35 HRC oraz d = 13 mm nanosi się na pasma hartowności zamieszczone w PN-89/H-84030/04 dla stali o za-wartości węgla większej lub równej 0,25%. Dla ułatwienia, wyboru nale-ży dokonać z gatunków: 30G2, 25HM, 34HNM. Wybiera się stal, dla której punkt leży w obszarze pasma hartowności poniżej górnej krzywej.
141 e) Powyższe wymagania spełniają stale 30G2 i 25HM. Stal 34HNM ma zbyt dużą hartowność. Jeżeli nie ma dodatkowych wymagań konstrukcyjnych i technologicznych, to wybiera się stal 30G2 jako tańszą od stali ohromo-wo-molibdenowej 25HM.