Способ термической обработки изделий

 

Изобретение относится к области термической обработкистальных изделий. Цель изобретения - повышение усталостной прочности и качества изделия за счет сохранения его геометрических размеров. Изобретение позволяет повысить усталост- , ную прочность детапей машин и снизить технологические затраты при их изготовлении путем предварительной упрочняющей термообработки, осуществляемой при поверхностном нагреве и поверхностной закалке с последующим отпуском. Глубину нагрева предварительной упрочняющей термообработки и глубину поверхностной закалки назначают в зависимости от размера опасного сечения изделия и твердостей сердцевины изделия, поверхностного закаленного слоя и слоя, упрочняемого предварительной термообра- - боткой. 5 ил., 3 табл. Is5 О5 О) 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИН (5114 С 21 D 1 78

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ.")

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОбРетений и ОтнРытий (21) 3932824/22-02 (22) 17.07.85 (46) 15.12.86. Бюл. Р 46 (71) Физико-технический институт

АН БССР (72) H.Н. Бодяко, АмИ. Тарарук, A.È. Гордиенко и Г.А. Семенюк (53) 621.785.79.(088.8) (56) Непеляковский К.З. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. М.: Машиностроение, 1972, с. 162-164. (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к области термической обработки стальных иэделий. Цель изобретения — повышение усталостной прочности и ка„„SU„, 1276673 А1 чества изделия за счет сохранения его геометрических размеров. Изобретение позволяет повысить усталост-, ную прочность деталей машин и снизить технологические затраты при их изготовлении путем предварительной упрочняющей термообработки, осуществляемой при поверхностном нагреве и поверхностной закалке с последующим отпуском. Глубину нагрева предварительной упрочняющей термообработки и глубину поверхностной закалки назначают в зависимости от размера опасного сечения изделия и твердостей сердцевины изделия, поверхностного закаленного слоя и слоя, упрочняемого предварительной термообработкой. 5 ил., 3 табл. з

АЕ< (фиг. 2) и полностью соответствует эиюре напряжений, возникающих при воздействии на изделие предельных нагруэок. Если на прямой АЕ (фиг. 1) взять точку С с координатой на оси ординат, равной твердости Н сердцевины, то вторая кордината этой точки на оси абцисс соответствует оптимальной глубине слоя

S< упрочняемого предварительной термообработкой, На фиг. 1 и 2 видно, что при от— клонении глубины упрочненного слоя от оптимальной в сторону уменьшения, в сечении образуется опасная зона, f5 в которой предельная прочность стали ниже напряжений, возникающих при предельных нагрузках (см. фиг, 1 и

2, кривые, расположенные левее точки С и С, показанные штриховыми 20 линиями). Вероятность зарождения усталостной трещины в этой зоне наибольшая. При отклонении глубины упрочненного слоя в сторону увеличения уровень вязкости изделия умень-2S шается, что также ведет к уменьшению .усталостной прочности, Если на прямой АЕ взять точку В с координатой на оси ординат, равной твердости Н слоя, получаемого при предварительной упрочняющей термооб-, работке, координата этой точки на оси абсцисс соответствует оптимальной глубине слоя, упрочняемого поверхностной закалкой. Отклонения глубины упрочняемого слоя в сторону

3S уменьшения также приводит к образованию опасной зоны (см. фиг. 1 и 2, кривые, расположенные левее точки В и В<,, показанные штриховыми линиями), а отклонения в сторону увеличения слоя -- к уменьшению вязкости детали, а также уменьшению усталостной прочности. Максимальные напряжения в сечении круглого вала возни45 кают как при кручении, так и при изгибе в наружных точках, которые одинаково удалены от центра тяжести сечения, поэтому при кручении и при изгибе оптимальные глубины упрочняе50 мых слоев для наиболее напряженных точек одинаковы.

12766 73

1О

Л2ЛЪ=АА Э-АЛ2 =НЗ- z В где Н вЂ” твердость слоя, упрочняемого предварительной термообработкой;

А,А,=S< — оптимальная. глубина слоя, упрочняемого предварительной термообработкой;

В брусе некруглого сечения, в отличии от цилиндрического, точки с максимальными напряжениями при кручении и изгибе могут не совпадать и находиться на разных расстояниях от центра тяжести.

Обоснование выбора соотношеHEN для определения глубин термообрабатываемых слоев рассмотрим более подробно на примере бруса произвольного сечения (фиг. 3) .

Пусть в сечении от крутящего момента возникают наибольшие напряже-. ния в точке A. Соединим точку Л с центром тяжести О и перпендииулярно отрезку АО через точку А проведем прямую линию. На этой прямой отло-. жим в принятом масштабе числовые значения твердости сердцевины бруса, слоя упрочняемого предварительной

1 термической обработкой, и слоя, получаемого после поверхностной закалки и отпуска, и обозначим их точками А< А и А> соответственно.

Соединив точку А с точкой О получим треугольник АЛ О, в котором сторона A О, как и отрезок АЕ на фиг. 1, является линией, характеризующей идеальное распределение твердости по сечению бруса для точки А.

Это распределение твердости по сечению пропорционально распределению напряжений, возникающих в сечении при воздействии на брус предельного крутящего момента. Если в треугольнике АА О параллельно стороне АО провести через точки А < и А прямые линии и точки пересечения этих линий со стороной А О обозначить соответ(l ственно А, и А, то получается треугольники А Л Л и А,A A подобные треугольнику АЛ.О.

Введем соответствующие обозначения сторон треугольников: AA =H — твердость слоя, получаемого после поверхностной закалки и .отпуска;

A0=R — расстояние от центра тяжести сечения до точки на внешнем контуре сечения, для которой определяют глубины упрочняемых слоев

А(A =AA AA =H -Н1, где Н вЂ” твердость сердцевины бруса, I

А А =Б - оптимальная глубина поверхностной закалки.

Из подобия треугольников можно записать

1276673

8 Н, R

Н -Н„S»

Ц Р

Н»Н 6

Н (-Н, или S =-R-— ------- --H и -Н, или S =R- — — —, НЭ

Покажем, что соотношения полученные для определения глубин упрочняемых слоев бруса, работающего при . кручении, справедливы для бруса, работающего на изгиб.

Пусть в опасном сечении бруса (фиг. 3) от изгибающего момента возникают наибольшие напряжения в точке В, а напряжения равны нулю на нейтральной линии ЮЯ». > Определим для этой точки оптимальные глубины упрачняемых слоев. Дпя этого из тачки Б опустим перпендикуляр на нейтральную линию 1(1И.». Точку пересечения ега с нейтральной линией обозна= чим О» . Перпендикулярно отрезку ВО»( через точку В проведем прямую линию.

Па одну сторону этой линии отложим значения твердостей сердценины бруса,, слоя, упрочняемого предварительной

-:.àðêñîápàáoòêoé, и слоя, получаем(>-= го после поверхностной закалки и от-: пуска, обозначив их В,, В и Вэ саа>30 нетственно. Соединив точку Вэ с >оч - кай О», получим треугольник ВВ.,О,, н катаром сторона В О» является л(нией, характеризующей идеальное рас-пределение твердости о сечен >ю бруса при изгибе для точки В, обеспечивающее наибольшую прочнос i npu максимальном запасе вязкости. Если параллельно стороне ВО» треугольникаа ВБ»О » провести через точки В( и В и я„, и 40 ния их са стороной В О» обозначить

> соответственно В и В то полу" .аютФ ся треугольники »„В> к В В„В, по з дабные треугольнику ВВ О

Введем соответствующие обозначе: ния сторон треугольников: ВО1=Р наименьшее расстояние ат нейтральной линии сечения до точки на внешнем контуре, для которой определяют глубины упрочняемых слоев ВВ =-Н

> твердость слоя, получаемого.после поверхностной закалки и отпуска;

В! В,=ВВ -BB»=ð ú-Н . где и» вЂ” твердость сердцевины бруса; в в.=вв -вв„=и -и,. где И вЂ” твердость слоя, упрачняемага гредварительнай термаобработкой;

В В =S — оптимальная глубина слоя, (» * упрачняемога предваритель— ной термоабоабаткой;

B B =S — оптимальная глубина поверха z ностной закалки.

Из подобия треугольников можно записать

1 . -1»(я я -.2. е

Э

>й н -и, s„

Н» R

Иъ Нт 82

Н -н или S =-R-— -— --— - °

Соотношения, полученные для определения оптимальных глубин упрочняекых слоев бруса произвольного сечения, работающего на изгиб и на кручение, аналогичны.

Предлагаемым способом термообра-, ботки упрачняктся только те зоны (участки) детали, в которых действующие напряжения при предельных нагрузках превышают допускаемые напряжения материала с исходной структурой. Формы и размеры этих зан, а также точки максимальных напряжений и оптимальные глубины упрачняемых слоев для каждой зоны определяют при расчете детали на прочность.

На фиг. 4 и 5 даны графики двух вариантов термической обработки предлагаемым способом, где участок кривой 1,2 — нагрев да температуры.закалки при предварительной упрочняющей термаобработке," участок 2, 3— выдержка между концами нагрева и началом охлаждения; 3,4 — охлаждение изделия„ 4,5 — выдержка между концом охлаждения и началом нагрева

1 под отпуск;, 5,6 — нагрев закаленного слоя До температуры отпуска.

На фиг. 4 участок 6,7 — выдержка между концом нагрева и началом охлаждения; 7,8 — охлаждение да темпера-. туры окружающей среды; 9,1Π— на-. грев под поверхностную закалку;

10, 11. — выдержка между концом нагрева и началом охлаждения; 11, 12 охлаждение изделия; 12, 13 — ньщержка между концам охлаждения и началам нагрева пад низкий отпуск; 13, l4 — нагрев пад низкий отпуск; 14, »5 — охлаждение до температуры окружающей среды.

На фиг. 5 участок: 6,7 — выдержка между концам нагрева пад отпуск при

1276 (Н -Нь ) R определяют соотношения S, = — — — ——

"з оптимальную глубину нагрева под предварительную упрочняюцую термообработку, а из соотношения (Н У-Н2) К

Я а

2 Н13 — опт имальную глуби-. ну слоя поповерхностной закалки. Режим термической обработки для каждой операции назначают на основании нормативных материалов. Заданную 4О глубину нагрева до требуемой температуры получают путем подвода к индуктору соответствующей мощности и„ путем дозирования с помощью реле времени индуктируемой в изделие энер- гии. Термообработку осуществляют в последовательности изображенной на фиг. 4 или 5.

Пример. Способ был опробован на образцах для испытаний на усталостьь изготовленных из стали 40Х.

Общая длина образца составляла 310мм, длина рабочей части - 25 мм, диаметр рабочей части 20 мм. Концы образца, зажимаюциеся в цанги испытательного стенда имели диаметр 30 мм. Нагрев рабочей части образца под термаобработку осуществляли одновременчым предварительной термаобработке и vaчалом нагрева под поверхностную -»акалку; 7,8 — нагрев под поверхностную закалку; 8,9 .-- выдержка между концом нагрева и началом охлаждения;

9,10 — охлаждение изделия; 10 11 выдержка между концом охлаждения и началом нагрева под низкий отпуск;

11,12 — нагрев под низкий отпуск;

12, !3 — охлаждение до температуры окружающей среды. Длительность каждой выдержки (фиг,, 2ь и 5 участки

2-3, 4-5ьб-7ь 8 9ь 10=11â 12 13) каждом конкретном случае зависит от принятой технологии и конструктивных возможностей оборудования, на котором осуществляется термообработка иэделий.

Способ осуществляется следующим образом. 2О

В зависимости от марки стали, условий рабаты детали и на основании нормативных материалов заранее задаются значениями твердости упрачняемых слоев и сердцевины (для слоя, 25 предварительно упрочняемого термообрабаткай, твердость задают абыччо в пределах 35-50 11кС). Затем иэ

673 8

»1етодом вкольцевом нндуктаре — спрейе— ре высотой 60 т» током 8000 Гц.

Термообрабатка производилась в последовательности, изображенной на фиг.

5. Для доказательства полезности применения .данного способа были термообработаны 1О шт указанных об-, разцов известным сгî-обом и 10 шт предлагаемым, Объемный нагрев образцов при пред-— варительной обработке известным способам, а также низкий отпуск после поверхностной закалки в известном и предлагаемом способах осуществляли в шахтной электропечи, а охлаждение — в воде, Поверхностную закалку в известном способе проводили на том же оборудовании„. что и в предлагаемом.

Режимы термообрабатки тем и другим способом указаны в табл. 1, Результаты термообработки и усталостных испытаний образцов даны в табл. 2.

Испытания проводились на гладких образцах при иэги.е с вращением на машине УИМП-20 на базе 5 млн,циклов.

Из табл. 2 видно, что усталастная прочность в предлагаемом способе повысилась да 87 кг/мм по сравнению с 72 кг/мм в известном.

Увеличение усталостнай прочности образцов, термообработанных предлагаемым способам, связано с более рациональным распределением твердости в наиболее напр»щенном сечении образца и наличием дополнительных остаточных напряжений сжатия в предварительно упрочнм;-.ом слое.

Для сравнения в табл. 3 приведены результаты измерений деформаций шес ерен (диаметр 20 мм, модуль б мм„ширина венце — 30 мм), изготовленных иэ стали 45Х и термаобра-. ботанных по оптнмальчым режимам иэве»тным и предлагаемым способами.

Иэ табл. 3 видно, что детали термаобработанные известным способом, имеют большие отклонения от номинальных размеров, чем детали, термообработанные предлагаемым способом. Ц1естерниь термоабработанные предлагаемым способам, соответствуют нормам 7-8 кл. тон.асти. Для получения шестерен такой;1;е точности при термообработке известным способом необходима дополнительная механическая обработка для исправления дефор. l? 7667 1

Т аблица \

TeMïåðàòóПотребляемая ра нагрева, С от генератора мощность

0,43

900

Предлагаемый закалка. отпуск

380

1»»

960

0,016

180

Нет

Отпуск вестный

850 э акапка

350 отпуск

960

155 0,0)6

6i

180

Отпуск мации после термообработки, что повышает стоимость изготовления шестерен, Предлагаемым способом можно упроч. нять оси, валы, втулки, гильзы, зуб-чатые колеса.и т.д., причем способ позволяет изготавливать эти детали иэ более дешевых сталей, не снижая при этсм их срок службы.

Формулаиэобретения

Способ термической обработки из" делий преимущественно из среднеугле- 15 родистых низколегированных сталей, включающий предварительную упрпчняющую обработку, поверхностную закалку и отпуск, отличающийся тем, что, с целью повышения усталост- 20 ной прочности и качества иэделия за счет сохранения его геометрических

Способ Операции термообработки термообра— ботки

Предварительная упрочняющая термообработка при поверхностном нагреве

Поверхностная закалка

Предварительная упрочняющая термообработка при объемном нагреве

Поверхностная закалка размеров, предварит<.явную упрочняющую обработку осуществляют путем поверхностного нагрева на глубину

Н - 1

1 ° ф

"э где R — расстояние от центра тяжести сечения да точки на внешнем контуре сечения, для которой определяют глубины упрочняемых слоев;

Н вЂ” твердость сердцевины иэделия;

11 — твердость слоя, получаемого после поверхностной закалки и отпуска, а поверхностную закалку проводят на глубину

- 12 1 2

S=--1 -- -,- —, Нэ где Н вЂ” т1-ердость слоя, упрочняемого предварнтельной Обработ-кой.

1276673

Таблица 2 пуска

Твердость, HRC

Толщи- вердость, на слоя, HRC мм

Предлагаемый 5,8-6,0 48-50 1,8-2,0 59-60

24-26

Известный

40-42

1,8-2,0 59-60

Таблица 3 размеров от номинального значения, мкм оле асс о бр

Извест ный

105.190

176

110

95

80

47

203

63

221

19

46

25

47

22

46 .

54

10 24

46

Предлагаемый

Способ термо— обра — ботки

Слой, упрочняемый предварительной термообработкой

Слой, полученный после поверхностной закалки и отТолщина слоя, ММ

Твердость сердцевины, HRC

Предел усталости кгс/мм

1276673

equal урвне,се» т с

rooo юю, см.

Составитель A. Кулемин

Редактор М. Недолуженко Техред Л.Сердюкова Корректор1 А, Тяско

Заказ 6638/2! Тираж 552 Подписное

ВШПП1И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 1К-35, Раутпская наб., ц. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие.„ г. Ужгород, ул. Проектная, 4