Определение скорости охлаждения стальной детали при термообработке

Пишу “по горячим следам”: получил на днях отзыв о калькуляторе stepca. Проблема такая: чтобы практически применить ту часть калькулятора, которая считает твёрдость, нужно кроме параметров аустенитизации знать скорость охлаждения. Вот про оценку скорости охлаждения я сейчас и напишу…

Знание скоростей охлаждения по сечению термообрабатываемой детали нужно

– для того, чтобы понимать возможности оборудования в цехе, с помощью которого проходит термообработка;

– (вытекает из предыдущего) для быстрой разработки технологий для потенциально новых изделий в том числе из марок сталей, по которым нет накопленного опыта.

Прежде чем начну говорить о методах оценки скорости охлаждения уточню, какую именно скорость имею в виду. Под скоростью охлаждения далее будет пониматься та скорость, которая используется в моделях для расчёта свойств, в том числе и в stepca; и это, как правило, скорость охлаждения в интервале 800-500 °С или мгновенная скорость при 700 °С, потому что примерно в этом диапазоне происходят диффузионные превращения в стали при непрерывном охлаждении [1].

Рассмотрим закалку. Как можно оценить скорость охлаждения в условиях цеха, не имея термопары? Температуру пространства печи знаем – её и считаем за температуру детали перед закалкой. Открываем печь, опускаем деталь в закалочную ванну, смотрим на часы и записываем время начала закалки. Во время изъятия охлажденной детали из закалочной ванны опять смотрим на часы. Измеряем температуру поверхности детали пирометром. С помощью нехитрых вычислений можно определить скорость охлаждения по этим двум наблюдениям: (температура детали до закалки – температура детали после закалки) / (время конца закалки – время начала закалки).

Для начала неплохо. И нам важно это значение в качестве первой оценки, но дело в том, что реальная скорость охлаждения в диапазоне 800-500°С будет больше. Сейчас поясню. По описанной методике мы вычислим скорость такую, как если бы охлаждение происходило линейно – по голубой кривой (см. рисунок ниже). В реальности же это не так: охлаждение идёт так, как показано на оранжевой или зелёной кривой – нелинейно. И как видно, наклон оранжевой и зелёной кривой более крутой, чем у голубой, а это значит, что скорость охлаждения в диапазоне 800-500°С больше, чем наша оценка по линейной модели, полученная по двум наблюдениям. Так что надо что-то более определённое. Вот дальше и посмотрим, что можно использовать технологу-термисту.

1. Термопары

Первый и самый верный метод — использование термопар. Насверливаем в детали дыры, вставляем кучу термопар, нагреваем, держим, охлаждаем и всё это время записываем показания с термопар. Сложно? Долго? Дорого? Да. Этот метод даёт хорошие данные, но на заводах никто не даст жертвовать деталью и тратить время на организацию такого сложного эксперимента в ущерб серийному производству. Так что этот вариант — не вариант. 🙂

2. Моделирование с помощью МКЭ, МКР

Метод конечных элементов (МКЭ)  и метод конечных разностей (МКР) позволяет моделировать процесс охлаждения. Вот подборка бесплатных программ для моделирования. Хороший метод, но требует особой подготовки инженера. Тут есть ещё одна проблемка: нам нужно раздобыть данные о плотности, теплопроводности, удельной теплоёмкости конкретной стали, а в идеале ещё и знать изменение этих теплофизических свойств с температурой, а ещё задать коэффициент теплоотдачи на границе «охлаждающая среда — поверхность металла». Для пущей точности нужно верифицировать наш расчёт на реальных данных: промоделировать уже реальные прошлые закалки серийных деталей и убедиться, что есть сходимость расчётной твёрдости и фактической. Если сходимости нет, то нужно задавать другой коэффициент теплоотдачи и проводить расчёт заново – и так несколько раз. Про это я рассказывал тут и тут (стр. 53) и в [2].

3. Эмпирические зависимости для оценки скорости в центре деталей простого сечения

Смотрим на нашу деталь и мысленно пилим её на простые геометрические тела: параллелепипеды и цилиндры. Далее рассмотрим методы оценки, которые как раз и позволяют оценивать скорость в различных точках этих простых тел.

3.1. Зависимости для оценки скорости в центре простых тел

Зависимости, полученные в конце 70-ых французскими коллегами-металловедами с завода Creusot-Loire [3], позволяют оценить скорость охлаждения в °С/ч при 700°C (~в интервале 800-500°С) в центре простых тел типа прутка круглого сечения или бесконечной плиты при их охлаждении в масле, воде или на воздухе. Наконец-то, простой как топор метод! Вот зависимости из этой статьи:

Обратите внимание, что ось скоростей в логарифмической шкале и пользоваться этим не очень удобно. Потому я эти диаграммы оцифровал и сделал формулы – добавлю их в stepca в ближайшее время. Так что следите за обновлениями.

Рассмотрим пример. Пусть у нас есть уголок с толщиной полки 16 мм, длиной полки 200 мм. Полка уголка – плоская деталь. Давайте оценим твёрдость при охлаждении на воздухе. Для плоской детали толщиной 16 мм скорость в центре по толщине будет около (10 в степени 3,6) 4000 °С/ч, а это 4000 °С / 3600 с = 1,1 °С/с. Похоже на правду.

3.2. Связь точек сечения прутка с точками на кривой прокаливаемости

Предполагается, что мы рассматриваем закаляемую деталь и у нас есть данные о прокаливаемости этой детали из сертификата качества на металлопрокат, из которого у нас деталь сделана. Пусть у нас вал диаметром 45 мм из стали марки 20ХГНМ. Закалка в масле. В сертификате качества на сортовой прокат, из которого будем изготавливать вал, есть кривая прокаливаемости (см. испытания на прокаливаемость). А даже если и нет, мы можем её рассчитать по химическому составу в stepca!

Расстояние, мм	1,5	3	5	7	9	11	13	15	20
Твёрдость, HRC	46	45	40,5	37	30,5	29	26	25	22

Пусть после закалки вала в масло (ещё без отпуска!) мы получили твёрдость поверхности вала 37 HRC. Потом мы порезали вал и измерили твёрдость в центре по сечению – получили 22 HRC. Давайте сравним наши значения твёрдости вала с твёрдостью из таблички выше. Что получается?

А получается, что точка на поверхности вала соответствует твёрдости на расстоянии 7 мм от торца пробы на прокаливаемость, а точка в центре вала – точке на расстоянии 20 мм от торца пробы на прокаливаемость. Нам даже этого знания уже может быть достаточно: когда нужно будет закаливать вал того же диаметра из другой стали, уже будем знать, на какие точки кривой прокаливаемости нам нужно смотреть.

Но мы хотели найти скорость охлаждения. Открываем книжку Новикова И.И. [4] на стр. 292 и смотрим там на график зависимости скорости охлаждения от расстояния от закалённого от торца пробы на прокаливаемость или же мою «Настольную книгу специалиста металлурга» на стр. 30. Видим график и таблицу.

Получается, что в центре прутка диаметром 45 мм при закалке в масло скорость охлаждения составляет 8°С/с, а на поверхности – 34-40 °С/с.

3.3 Данные из ТКД

Пусть теперь у нас пластина из толстолистого проката из стали 45 толщиной 25 мм, которую мы хотим закалить в масле. Закалили. Получили твёрдость на поверхности 280 HV. Открываем справочник с термокинетическими диаграммами (ТКД) распада аустенита [5] или [6] и ищем там сталь 45. Находим сталь 40 с содержанием углерода 0,44 – подойдёт. Наиболее близкая твёрдость на диаграмме – 274 HV. Осталось найти скорость.

При построении ТКД скорость охлаждения всё время одна и в начале охлаждения, и в интервале 800-500°С, т.е. охлаждение линейное. А скорость для линейного охлаждения мы вычислять умеем (см. в начало статьи). Образец охлаждали с температуры 880°С. Образец достиг 100°С в момент времени 40 с после начала охлаждения (отметил красной точкой). Считаем скорость: (880 °С – 100 °С) / 40 с = 19,5 °С/с. Ура!

Калькулятор STEPCA

И на десерт! Куда без «Степана»? Предполагаю, что твёрдость в различных частях детали мы опять же измерили. А теперь открываем stepca.ru, вбиваем свои параметры аустенитизации: температуру нагрева и время выдержки – и начинаем перебирать значения скорости охлаждения, пока не получим нужную твёрдость, которую мы измерили на детали. Вот и узнали примерную скорость. Всё – идём пить чай.

Заключение

Знание скоростей охлаждения помогает понимать возможности термического оборудования и быстро разрабатывать технологии для новых изделий, даже если это малоизвестные для предприятия марки сталей.

Мы рассмотрели несколько методов оценки скорости охлаждения: от простых наблюдений до сложных моделей и эмпирических зависимостей. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, но все они помогают получить необходимые данные для расчёта свойств стали.

Термопары дают точные результаты, но требуют времени и ресурсов. Моделирование с помощью МКЭ и МКР даёт детальные данные, но требует точной настройки. Эмпирические зависимости и данные из кривых прокаливаемости и ТКД предоставляют быстрые оценки для повседневной практики.

Всё на сегодня! Пока! За обновлениями блога следите в телеграмм-канале.

Литература

1. ASM Handbook Volume 04 – Heat Treating
2. Методика разработки технологии закалки заготовок из литейных и деформируемых сталей с использованием компьютерного моделирования / М. И. Терентьев, О. А. Бройтман, А. В. Монастырский, Е. Е. Чикинова // Литейное производство. – 2024. – № 4. – С. 30-39. – EDN NZRZIX.
3. Maynier Ph, Jungmann B, Dollet J (1978) “Creusot-Loire System for the Prediction of the Mechanical Properties of Low Alloy Steel Products”, Hardenability Concepts with Applications to Steel, Met. Society of AIME p. 518-545.
4. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов, М: Металлургия. 1986, 480 с.
5. Попов А.А., Попова Л.Е. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлаждённого аустенита, М: МАШГИЗ, 1961
6. Попова Л.Е., Попов А.А. Справочник термиста. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана, М: Металлургия, 1991, 503 с.