Способ закалки изделий сложной конфигурации

 

Использование: изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при обработке массивных деталей машин и инструмента Сущность: способ включает нагрев массивных изделий до температуры аустенитизации выдержку и дифференцированное охлаждение участков с различным сечением распыленной водой. Охлаждение массивных изделий распыленной водой производят с удельным расходом 2,5-14 м3/м2 ч, а участков меньшей массы -с расходом 14-25 м3/м2ч, после чего процесс интенсивного охлаждения прекращают по достижении наиболее удаленными от поверхности точками температуры 450-500°С с окончательным охлаждением изделия в воздушной среде. Способ способствует снижению температуры хладноломкости , созданию на поверхности сжимающих остаточных напряжений 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s С 21 D 1/78

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6д (гд

Д.

,фз > (21) 4862146/02 (22) 09.07.90 (46) 15.05.92. Бюл. № 18 (71) Институт технической теплофизики

АН УССР (72) Н. И. Кобаско (53) 621.783(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1518390, кл, С 21 D 1/18, 1978. (54) СПОСОБ ЗАКАЛКИ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ (57) Использование; изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при обработке массивных деталей машин и инструмента, СущИзобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при термоупрочнении массивныхдеталей машин и инструмента.

Известен способ закалки деталей, изготовленных из высоколегированных марок сталей, заключающийся в том, что охлаждение осуществляют в условиях 0,8 Kn 1 до момента создания максимальных сжимающих напряжений на поверхности закаливаемых деталей, после чего осуществляют изотермическую выдержку при температуре начала мартенситного превращения (М ), где Кй — число Кондратьева. Такой способ позволяет увеличить ресурс работы термоупрочняемых деталей.

Известен способ закалки легированных марок сталей, содержащих углерод в количестве 0,65-0,85%. Способ реализуется с поность: способ включает нагрев массивных изделий до температуры аустенитизации, выдержку и дифференцированное охлаждение участков с различным сечением распыленной водой, Охлаждение массивных изделий распыленной водой производят с удельным расходом 2,5-14 м !м ч, а участ-3 2 ков меньшей массы — с расходом 14-25 м /м ч, 3 2 после чего процесс интенсивного охлаждения прекращают по достижении наиболее удаленными от поверхности точками температуры 450-500 С с окончательным охлаждением изделия в воздушной среде, Способ способствует снижению температуры хладноломкости, созданию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, 4 табл. мощью струйного охлаждения. Струи подаются под давлением 0,4-0,6 МПа на протяжении 0,2-0,8 с, после чего детали подвергают изотермической выдержке при

150-250 С на протяжении 10-50 мин.

Описанные способы аналогичны, так как струйное охлаждение обеспечивает условие 0,8 <Кп < 1, а изотермическая выдержка после прерванного охлаждения осуществляется при 150-250 С, т.е. практически при М„так как с изменением содержания углерода в пределах 0,65-0,85% М колеблется в пределах 150-250 С.

Указанные способы закалки в основном относятся к деталям простой формы. При закалке деталей сложной формы ввиду неодновременности охлаждения различных сечений детали возникают большие терми1733484 ческие и структурные напряжения, приводящие к разрушению материала.

Наиболее близок к предлагаемому способ закалки массивных изделий сложной конфигурации, при котором охлаждение массивной части изделия производят распыленной водой с удельным расходом 1420 м /м ч, а менее массивной части — с расходом 2,5-9 м /м ч, з г

Сущность предлагаемого способа заключается в выравнивании температуры по оси массивного, изделия, что должно привести к уменьшению вероятности разрушения материала за счет снижения концентрации напряжений по оси.

Однако при такой технологии возникают значительные градиенты температуры на поверхности, что приводит к трещинообразованию и деформации закаливаемых изделий. Кроме того, тонкая часть хвостовика охлаждается так же медленно, как и сердцевина массивной части, что приводит к снижению механических свойств материала, повышению темпера уры хладноломкости и ухудшению параметров, характеризующих вязкость разрушения материала. Недостатком является также возникновение на поверхности тонких частей растягивающих остаточных напряжений, в то время как,на поверхности массивных частей возникают сжимающие напряжения, В этом случае в местах перехода от тонкой части к массивной наблюдается высокая концентрация напряжений, что также связано с опасностью образования закалочных трещин.

Цель изобретения — повышение качества изделий при исключении трещинообразований.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу закалки массивных изделий сложной конфигурации, включающему нагрев до температуры аустенитизации, выдержку дифференцированное охлаждение участков изделий с различным сечением распыленной водой, охлаждение массивных частей изделия производят распыленной водой с удельным расходом

2,5-14 м /м ч, а участков меньшей массы— с расходом 14-25 м /м ч, при этом процесс

3 2 интенсивного охлаждения прекращают по достижении наиболее удаленными от поверхности точками температуры 450-500 С с окончательным охлаждением изделия в воздушной среде.

Таким образом закалку деталей сложной конфигурации из легированных марок сталей ведут таким образом, чтобы массивная и тонкая части изделий охлаждались в одинаковых условиях, т.е. по всей поверхности сложного изделия осуществлялось условие Bi ж 0, что приводит к созданию сжимающих напряжений по всей поверхности.

Это означает, что на тонкую часть изделий должен быть направлен большой расход водовоздушной смеси, поскольку условие Bi = aR/À R! 20 для меньшего размера выполнимо при более высоком а.

Выбор параметров расхода воды при водовоздушном охлаждении и величины давления при струйном охлаждении обусловлен экспериментальными данными, представленными в табл. 1.

Набор охлаждающих средств, представленных в табл, 1, позволяет реализовать предлагаемый способ на детали сложной конфигурации, разнотолщинность которой изменяется в пределах 60-2000 мм, так как для любой толщины может быть выполнено условие Bi 20, Действительно, для тонкой части изделия диаметром 60 мм условие Bi 20 может быть выполнено при а = 14000 Вт/м К

20 а R 14000 Вт/мг.К-О,ОЗ M

В! — —; — 21 Вг м К вЂ” 20

Это соответствует струйному охлаждению под давлением до 1 МПа.

Для массивной части (2000 м) это же условие может быть выполнено при а= 420 Вт/м К, что соответствует рас2 ходу водовоздуш ной смеси 2,5 м /м ч (табл, з

1). Таким образом можно значительно сократить расход воды.

Предлагаемый способ, по сравнению с известным увеличивает скорость охлаждения сердцевины тонких частей хвостовика или ротора.

Скорость охлаждения при 600 С сердцевины цилиндров в зависимости от их размеров и числа Био представлена в табл. 2.

Так, сердцевина цилиндра диаметром 100 мм в соответствии с известным способом охлаждается со скоростью 7300 С/ч, в то время как по предлагаемому способу скорость охлаждения превышает 27000 С/ч, т,е, скорость охлаждения увеличивается почти в 4 раза.

Существенная разница сказывается на меха. нических свойствах материала, особенно это касается порога хладноломкости.

Сравнение механических свойств стали

35ХНЗМФА, полученной по известному и предлагаемому способам, приведено в

Кроме того, при применении предлагаемого способа на поверхности тонких частей вместо растягивающих (при известном способе) возникают сжимающие остаточ1733484 ные напряжения (табл. 4). Повышение механических свойств материала, снижение температуры хладноломкости и создание сжимающих остаточных напряжений на поверхности приводит к повышению долговечности и надежности работы термоупрочненных изделий, т.е. к повышению их качества, а также к снижению вероятности образования эакалочных трещин, Пример. Вал, изготовленный из стали

35 XM (см. чертеж), нагревают до 870 С, после чего помещают в установку для водовоздушного охлаждения, На участках I u I I детали обеспечивается охлаждение водовоздушной смесью с расходом 9,5 м /м ч (табл. 1), а на участках III и I Y — расходом воды 20,6 м /м .ч.

При этом процесс интенсивного охлаждения на участках I I I u I Y прекращают через

13 бмин, а научастках I u ll — через45,7мин.

Далее деталь охлаждают до полного остывания на воздухе, после чего подвергают обычному отпуску.

В результате применения предлагаемого способа увеличиваются прокаливаемость и закаливаемость, повышаются прочностные свойства сердцевины на 20 при одновременном увеличении ударной вязкости в 1,5-2 раза, экономится расход водовоздушной смеси.

Выбор технологических параметров обусловлен следующим.

Научастках I и!! при расходе9,5м /м з ч обеспечивается условие (табл. 1)

Bi — " — 203

1450 бмг К 0,315 м

На участках Ill u IY при расходе

20,6 м /мг ч обеспечивается условие — — - — — -»

3000 г г.К 0,15 м

Следовательно, на массивной и тонкой частях детали создаются сжимающие напряжения (Bi > 18), что предотвращает возможность образования закалочных трещин, Тонкая часть детали (участки ill и IY) охлаждается на протяжении времени, которое определяется по формуле т= (048 + !и, — 1

870 — 30 С К

500 — 30 С

=(0,48+0,58) 5783 563 13,6мин14мин, 225 . 100

R2

5,78

Кп ж09 а=5,6310 м /с, Время охлаждения массивной части (участки и !!) определяется аналогично, при этом

-г г, К . 6 13 10 м, 1 +

R2 Уг

1,31 10 г = 1,06, -45,7 мин

09 563 10 60

Таким образом, преимущества предла10 гаемого способа закалки по сравнению с известным заключаются в следующем.

Равномерно по всей поверхности закаленной детали образуются высокие сжимающие напряжения, что усложняет

15 возможность образования закалочных трещин. При использовании известного способа на поверхности тонких частей хвостовика возникают растягивающие напряжения, переходящие в сжимающие на массивной части, 20 что приводит к большой концентрации напряжений в местах перехода. Это связано с опасностью образования закалочных трещин.

Увеличивается скорость охлаждения тонких частей 2-4 раза, что приводит к улуч25 шению вязких характеристик и механических свойств материала, к снижению порога хладнолом кости.

Увеличивается производительность труда вследствие более интенсивного ох30 лаждения тонких частей хвостовика, Увеличивается долговечность работы деталей, обусловленная улучшением механических свойств материала и созданием на поверхности деталей сжимающих напряжений.

35 Обеспечивается возможность замены высоколегированных сталей менее легированнымии материалами.

Упрощается контроль и автоматизация технологического процесса охлаждения, 40 возрастает стабильность технологического режима, уменьшается расход воды.

Формула изобретения

Способ закалки изделий сложной конфигурации. включающий нагрев до темпера45 туры аустенитизации, выдержку и раздельное охлаждение участков изделия с различным сечением распыленной водой, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изделий за счет исклю50 чения трещинообразования, производят охлаждение массивных частей изделия с удельным расходом 2,5-14 м /м ч, а участз г, ков меньше массы — c расходом 14-25 м /м °

3 2 ч, при этом процесс охлаждения распылен55 ной водой прекращают при достижении наиболее удаленными от поверхности точками температуры 450-500 С, после чего окончательное охлаждение производят в воздушной среде, 1733484

Таблица 1 а, Вт/м ° К

Таблица 2

Скорость охлаждения сердцевины валов различных

1000м

Таблица 3

-14

16 ) П р и м е ч а н и е .Числитель — известный способ, знаменатель — предлагаемый способ

Осредненные коэффициенты теплоотдачи применительно к охлаждению модели ротора с применением водяного душа

18

29

42

48

52

64

66 .67

Механические свойства сердцевины валов (сталь 35ХНЗМФА) в зависимости от условий охлаждения

2050-2150

1350-1450

800-850

400-430

73

119

168

211

243

257

»o ) 1733484

1О

Зависимость величины остаточных осевых gz u окружных Озз напряжений, МПа, на поверхности валов от условий охлаждения

Таблица 4