Способ закалки массивных изделий из легированных сталей

 

В.А. Ворошилов, Г.И. Тихонов, Е.А," --Подосенова,"-"

-Н.А. Кривоногов, В.Д. Каменев, Г.Ai":.Гликин ;Н,"А:.Собян н, С.Г. Кольтяпина; — А.К. Бурков и Л Г. ПодойлеловаГ

I .1 р

Проектно-конструкторское и технологическое Gif -.. химического машиностроения изобретения (73) Заявитель (54) СПОСОБ ЗАКАЛКИ ИАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к термической обработке, преимущественно закалке массивных изделий из легированных сталей.

Известен способ прерывистой закал- . ки, заключающийся в том, что изделие многократно погружают в закалочный бак со средой с максимальной охлаждаацей способностью (водой) и вынимают на воздух (среда с .минимальной охлаждающей способностью), оконча- тельное охлаждение проводят в среде с промежуточной-охлаждающей способностью (в масле). Попеременное охлаждение в воде и на воздухе позволяет значительно быстрее, чем при охлаждении в масле, охлаждать поверхность и сердцевину изделия s верхнем интервале температур (выше точки Ин), что способствует существенному уве- щ личению прокаливаемости 1! 3.

Однако применение способа прерывистой закалки Ges обоснованного ограничения времени охлаждения в воде

2 и на воздухе при всех чередованиях не исключает образования трещин при получении высокой прокаливаемости и не гарантирует обеспечение высокой прокаливаемости при отсутствии трещин. Качество закалки зависит от мастерства и опыта термиста.

Известен способ закалки массивных изделий из легированных сталей, включающий нагрев до температуры аустенитизации, выдержку и охлаждение в трех средах: вначале до температуры на 5- 150 С ниже точки начала мартенситного,превращенйя (И,) в среде с максимальной охлаждающей способ-. ностью, затем 0,5-30 мин в среде с минимальной охлаждающей способностью, а окончательное охлаждение ведут в среде с промежуточной охлаждающей способностью (2).

Однако этот способ имеет определенные недостатки: охлаждение ниже точки И с температуры аустенитизации приводит к образованию на поверх.

996471 4 ности хрупкой корки, которая под действием высоких структурных и термических напряжений может разрушиться, т.е. в иэделии образуется трещина; однократная выдержка в резком охладителе не обеспечивает максимально возможной прокалива6мости; продолжительность выдержки при охлаждении в среде с минимальной охлаждающей способностью не регламентирует разогрев поверхности, что может привести или к появлению трещин, или к средняя скорость охлаждения в надмартенситном интервале выше, чем при непрерывном охлаждении в масле, предлагаемый способ позволяет гарантировать отсутствие закалочных трещин при обеспечении высокой прокаливаемости.

На чертеже представлена термокинетическая диаграмма (ТКД) для стали

22ХЗИ.

1в На чертеже даны следующие обозначения: А1 и A> — критические точки (точки Осмонда); И H — температура начала мартенситных превращений; о и о — кривые начала и конца выделения

1 феррита; 8 — кривая начала распада аустенита по типу 1-ой ступени; кривая начала распада аустенита по типу II-ой ступени.

На фоне ТКД, взятой по справочным

26 данным, построены действительные кривые охлаждения поверхности (n) и центра (ц) пластины толщиной 250 мм, причем кривые I> и 1 относятся к охлаждению поверхности и центра издеу лия в масле; кривая 2 д - к охлаждению поверхности по прототипу, участок (Тн- < ) - охлаждение в воде", участок (Ж-д) — выдержка на воздухе 0,5 мин; кривая 2ц относится к охлаждению зо центра по прототипу, кривые 3 и и 3 ц относятся к охлаждению поверхности и центра изделия по предлагаемому способу, здесь участок (T -к) соответствует охлаждению поверхности в

3S воде до точки М ; участок (k -л)

Н выдержке на воздухе, при которой поверхность нагревается.до температуры

Т, расположенной на кривой ь. Участок (h -м) — охлаждение в воде до точки Мн, Т -Т - температуры центра в момент перехода точки Ин поверхностью изделия при охлаждении соответственно в масле (Т ), по прототипу (Т ), по предлагаемому режиму

4S (Т ) и по аналогу. (Т, ).

Кривые 1-4 построены по расчетным необеспечению необходимой прокаливаемости.

Целью изобретения является исключение образования трещин при закалке и обеспечение высокой прокаливаемости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу закалки массивных изделий из легированных сталей, включающему нагрев до температуры аустенитизации, выдержку и охлаждение сначала в среде с максимальной охлаждающей способностью, затем в среде с минимальной охлаждающей способностью и окончательное охлаждение в среде с промежуточной охлаждающей способностью, охлаждение в среде с максимальной охлаждающей способностью например в воде, и охлаждение в среде с минимальной охлаждающей способностью, например на воздухе, ведут попеременно и многократно, причем охлаждение в среде с максимальной охлаждающей способностью ведут каждый раз до достижения на поверхности изделия температуры равной температуре начала мартенситного превращения, охлаждение в среде с минимальной охлаждающей способностью - до достижения на поверхности изделия температуры верхней ветви кривой начала распада

1 переохлажденного аустенита по типу !

1-ой ступени, а число циклов попеременного охлаждения ограничивают достижением в центре изделия температуданным температурных полей при помощи ЭВИ. ры такой же, как при непрерывном охлаждении в масле в момент достижения температуры поверхности точки Ин.

Благодаря тому, что, с одной стороны, попеременное охлаждение в двух средах не связано с охлаждением ниже точки И, а, с другой стороны, время

Способ закалки массивных изделий иэ легированных сталей осуществляется следующим образом.

Вначале изделие нагревают до температуры Т„= Аз(30-40 ), выдерживают при этой температуре до полного подготовки к переходу в интервал мар- прогрева иэделия и выравнивания хитенситного превращения (при условии достижения в центре изделия температуры такой же, как и при непрерывном охлаждении в масле) сокращается, т.е. мического состава аусФенита, затем охлаждают. В процессе охлаждения при первой выдержке в воде (участок Т икривой 3п) поверхность изделия ох471 6 лаждается до точки И Н, при этом мартенситное превращение, которое может протекать только в интервале температур ниже Ин, еще практически не начинается, поэтому опасности образова-

Ф ния трещин нет. Далее .при выдержке на воздухе (участок к — кривой Зп) время ограничено достижением поверхностного слоя изделия температуры, расположенной на кривой ъ (кривая на-3@ чала распада переохлажденного аустенита по типу 11-ой ступени ТКД). Затем следует вновь охлаждение в воде до Ин (участок Л вЂ” м кривой 3п), далее выдержка на воздухе, при которой поверхность снова нагревается до температуры в пересечении с кривой ъ.

Затем изделие вновь подвергают охлаждению в воде. Такие циклы охлаждения чередуются до тех пор, пока температура в центре изделия (кривая 3,) не понизится до значения Т, которое задается из условия Тэ —— Т . Значение Т определяется по кривой 1< для случая непрерывного охлаждения в мас-2S ле в момент перехода поверхностью изделия.точки Ин (кривая 1„). При достижении в центре иэделия температуры Т проводят окончательное охлаж3 дение в масле.

При первых погружениях в воду до

1темпеРатУРы Ин пеРеохлаждаетсЯ поверхностный слой, изделия небольшой толщины, в результате чего массивная сердцевина продолжает сохранять большое количество тепла, которое при переносе изделия из воды на воздух быстро нагревает поверхностные слои, ранее охлажденные до Ин. При неограниченной выдержке на воздухе возможен повторный нагрев поверхностного слоя до температур, близких к первоначальной температуре аустенизации.

Это явление недопустимо, поскольку становится невозможным получение ка= чественной закалки иэделий, Поэтому повторный разогрев поверхностного слоя допустим в ограниченных пределах: с одной стороны; желателен возможно более широкий интервал от И„ до температуры повторного разогрева, так как выдержку на воздухе массив-: ного изделия нельзя провести менее, чем за 1,5-2 мин (время погружения в бак и подъема из бака составляет около 1,0-1,5 мин}, кроме того,.малые выдержки на воздухе не устраняют опасности образования трещин; с другой стороны, излишний повторный разогрев поверхностного слоя неизбежно снижает и прокаливаемость, и качество закалки в целом. В том случае, когда повторный разогрев поверхностного слоя достигает интервала распада аустенита по типу 1-ой ступени, поверхностные слои оказываются закаленными на сорбит или даже на сорбит с избыточным ферритом, что при последующих охлаждениях ухудшает условия закалки на мартенсит и, следовательно, снижает прокаливаемость.

В то же время распад аустенита по типу II-ой ступени с образованием бейнита (игольчатого тростита) желате-. лен, так как эта структура аналогична мартенситу, благодаря чему опасность трещинообразования практически отсутствует, а прокаливаемость не снижается.

Поэтому время выдержки на воздухе ограничено моментом достижения верхней ветви кривой начала распада аустенита по типу II--ой ступени, т.е. считаются допустимыми колебания температуры поверхностного .слоя в пределах всего интервала II-ой ступени.

Как известно, при закалке массивных изделий иэ легированных сталей в масле трещинообразования не происходит, при непрерывном же закаливании таких изделий в воде трещины не избежны, и опасность трещинообразования тем выше, чем больше неравномерность температур по сечению изделия. Поэтому число циклов попеременного охлаждения в воде и на воздухе ограничено моментом, когда разность температур между поверхностным слоем и центром изделия достигнет такой же величины, как и при непрерывном охлаждении в масле в момент перехода точки Ич.

Пример 1. Поковку из стали

22ХЗИ размерами 250х850Х1200 мм нагревают до 900 С с выдержкой 9 ч.

Охлаждение ведется попеременно в воде и на воздухе, исходя из расчета температурных полей, произведенного на ЭВМ ЕС- 1022 по условиям предложенного способа.

Режим прерывистого охлаждения поковки имеет следующий вид, мин:

Вода 9,9

Воздух 2,2

Вода 1,8

Воздух 3,6

Вода . 0,8

996471 8

К этому моменту расчетная темпера- 150ОС, что для стали 22ХЗМ составтура в центре поковки составляет ляет 150 С, затем на воздухе в тече586 С, что соответствует расчетной

9 ние 3-х мин (при выдержке свыше температуре центра поковки при не- 3 мин поверхность поковки нагреваетпрерывном охлаждении в масле при до- .З ся до температуры темно-красного свестижении поверхности точки Н, и с чения), окончательное охлаждение в этого момента поковка охлаждается масле. Отпуск производится аналогичокончательно в масле. Затем проиэво- но примеру 1. дится отпуск при температуре 540 С Поковка, обработанная по режиму в течение 14 ч с охлаждением на воз- 10 прототипа, имеет в одном иэ углов духе. трещину, в то время как,на поковке, Пример 2. Для сопоставления закаленной по предложенному режиму, аналогичная поковка подвергнута за- трещин не обнаружено. калке по режиму прототипа: нагрев до Механические свойства образцов, 900 С, выдержка 9 ч, охлаждение в во- 1 вырезанных из поковок, приведены в де до температуры поверхности Мн- таблице.

Закалка образцов

Механические свойства образцов после закалки предлагаемым способом на глубине, мм

25 75 125 известным способом на глубине, мм

25 75 125

Предел прочности, кг/мм

62,3 6l,0 44,8 67,9 65,3 50,3

Предел текучести, кг/мм.42,3 41,3 34,8

41,2 37,4 32,6

Относительное удлинение, 3

15 6 18,3 22,2 15 9 16 7 18 8

Относительное сжатие, 32,4 35,1 38,8 35,5 34,6 37,1

Ударная вязкость, кг м/см а

84 88 92

9,4 9,6 8,3

Механические свойства поковки, термообработанной по предложенному режиму, по всему сечению поковки вы-, ше, чем при термообработке по прото- типу.

Учитывая, что по техническим требованиям к массивным заготовкам предел прочности должен быть не менее

55 кгс/мм, определяют условную про2

50 каливаемость поковок, которая составляет 117 мм при обработке по предложенному режиму против 95 мм по прототипу.

Таким образом,предложенный способ по сравнению с известным имеет высоИ кую степень гарантии в отсутствии трещин, поскольку в процессе попеременного охлаждения в воде и на воздухе температура изделия ни в одной его точке не опускается ниже точки Ми, т.е. в течение всего этого времени в изделии не образуются хрупкие мартенситные структуры, в мартенситный интервал охлаждение переводится только тогда, когда температура в центре изделия снижается до такого же значения, как и при непрерывном его охлаждении в масле, а это условие позволяет гарантировать такой уровень тепловых. и структурных напряжений во всем процессе мартенситного превращения, который не превышает уро вень таких напряжений при непрерывной закалке в масле, не связанной с риском трещинообраэования; о6еспечивается высокая прокаливаемость

9 9.96471 10 за -счет существенного ускорения ох- трещин и увеличения прокаливаемости, лаждения изделия в верхнем надмартен- охлаждение в среде с максимальной

- ситном интервале, особенно в поверх- охлаждающей способностью ведут до доностных слоях; допустимость изотер- стижения на поверхности изделия -теммической выдержки в пределах II-ой, з пературы начала мартенситного преступени связана с тем, что значи- - вращения, охлаждение в среде-с мини- . тельная часть переохлажденного аусте- мальной охлаждающей способностьюнита превращается по типу промежуточ" до достижения на поверхности .изделия ного превращения с образованием температуры верхней ветви кривой наструктуры бейнита, который, будучи 1В чала распада аустенита по типу Й -ой . отпущенным на сорбит;обеспечивает ступени, а окончательное-охлаждение ,получение таких же высоких механичес- в среде с промежуточной охлаждающей ких свойств, как и мартенсит,.при способностью. начинают с момента доодновременной ликвидации опасности стижения в центре изделия температутрещинообразования. ры, соответствующей температуре центра. изделия при непрерывном охлаждении в масле в момент перехода поверхносФормула изобретения ти точки Ия.

2. Способ по и; 1, отличаю.1. Способ закалки массивных изде- 26 шийся тем, что охлаждение в срелий из легированных сталей, включаю- .. де с максимальной и минимальной охщий нагрев до температуры аустенити- лаждающей способностью ведут иногозации, выдержку и охлаждение сначала кратно. в среде с максимальной охлаждающей Источники информации, способностью, затем в среде с мини- 25 принятые .во внимание при экспертизе мальной -охлаждающей способностью и 1. Ассонов А.Д. Современные метоокончательное охлаждение в среде с ды термической обработки. И., "Иашипромежуточной охлаждающей способ- . ностроение", 19б4. ностью, о т л и ч-à о шийся тем, 2. Авторское свидетельство СССР что, с целью исключения закалочных уф Н 456002, кл. С 21 0 1/56, 1975.

Т С

Чти

ВНИИПИ Заказ 847/39 Тираж 566 Подписное филиал ППП ".Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4