Способ электротермической обработки изделий из стали и сплавов

 

ОПИСАЙИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 17Л1.1969 (¹ 1306717/22-1) М. Кл, С 21d 1,/66 с присоединением заявки №

Приоритет

И9

УДК 621.013.8(088.8) Опубликовано 17ЛЧ.1973. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания 18.VI1.1973

Автор изобретения

М. Б. Нанкин

Заявитель

СПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Изобретение относится преимущественно к области упрочняющей (в широком смысле) электротермической обработки изделий из стали и сплавов и может быть использовано в автотракторостроении, сельхозмашиностроении, а также в других отраслях машиностроения с массовым производством однотипных, преимущественно осесимметричных деталей.

Предпочтительно использование изобретения в химическом, тяжелом и энергетическом машиностроении и других отраслях машиностроения для поверхностного упрочнения изделий из титановых сплавов, аустенитных сталей и сплавов, мартенситостареющих сталей. Возможно использование, изобретения в черной и цветной металлургии для гомогенизации структуры сердцевины слитков, поковок, отливок.

Известны и применяются в промышленности две основные разновидности электротермичвской обработки: с объемным и поверхностным (местным) нагревом.

Объемная электротермическая обработка включает нагрев и выдержку изделия при пропускании тока и охлаждение.

Поверхностная (местная) электротермическая обработка включает нагрев поверхностного слоя до заданной температуры и немедленное (без выдерж ки) охлаждение.

Поверхностная закалка стальных изделий, выполненная по,оптимальному режиму, позволяет повысить их усталостную и хрупкую прочность при изгибе и кручении по сравне5 нию с объемнозакаленными. Однако статическая прочность последних выше.

Способом упрочнения, соединяющим в себе черты как объемной, так и поверхностной электротермической обработки, является ме10 тод поверхностной закалки изделий из сталей пониженной прокаливаемости при глубинном индукционном нагреве. Особенность метода (и его основное достоинство) заключается в том, что за одну технологическую

15 операцию достигается закалка поверхности и определенное упрочнение сердцевины изделия. Однако метод обладает и недостатками, которые оущественно ограничивают область его,применения. Главные из них: необходи20 мость использования специальных сталей, сложность изготовления сталей пониженной прокаливаемости для малых сечений, а также принципиальная невозможность создания эффекта пониженной прокаливаемости в не25 ржавеющих, теплостойких и жаропрочных сталях, как высоколегированных по своему назначению.

Таким образом, всей совокупности известных способов электротермической обработки

30 присущ один коренной недостаток, суживаю377339

3 щий ее технологические возможности и заключающийся в том, что она (совокупность) располагает лишь двумя возможными формами геометрии нагре ва: только сквозным или только поверхностным. В результате известные способы электротермической обработки недостаточно эффективны для получения оптимального распределения структур и свойств в поперечных сечениях упрочняемых изделий из малолегированных сталей, а во многих случаях неприменимы для изделий из высоколегированных сталей и сплавов.

Для расширения технологических возможностей спосооа электротермической обработки надо создать в нагреваемом .изделии распределение температур так, чтобы в его поперечном сечении образовался перепад температур с градиентом, направленным от поверхности внутрь, и заданные значения указанного перепада и температуры поверхности достигались в конце нагрева и поддерживались постоянными в процессе выдержки. 1 акая конфигурация температурного стационарного (или квазистационарного) поля не только в максимальной степени расширяет число возможных видов нагрева, но и (что более важно) позволяет создать оптимальное распределение структур и свойств в поперечном сечении изделия (предварительно объемноупрочненном), наиболее полно согласованное с характером нагружения и распределением напряжений от нагрузки. Облегчается решение задачи пространственно неоднородного (гетерогенного) упрочнения изделий из малолегированных сталей, и оно становится возможным для изделий из высоколегированных сталей и сплавов, упрочняемых при старении или деформационным наклепом.

Эта цель достигается тем, что при процессах нагрева и выдержки через изделие пропускают постоянный либо переменный электрический ток, удвоенная глубина проникновения которого в металл в заданном перепаде температур была не меньше определяющего размера d поперечного сечения изделия с силой 1, одновременно его поверхность охлаждают с коэффициентом теплоотдачи d, а значения указанных режимных параметров обработки выбирают, по крайней мере, для стадии выдержки в соответствии с соотношениями:

1=КР И—

Л Ы а=К

М где К и К2 — коэффициенты пропорциональности, отражающие влияние формы поперечного сечения изделия на условия достижения заданных перепада температур и температуры поверхности, определяемые расчетом или экспериментом; P — смоченный, то есть охлаждаемый периметр поперечного сечения; Л, р — соответственно средние инте40 где Л вЂ” коэффициент теплопроводности материала цилиндра.

Температура на оси цилиндра (r=o), qvr qv

2г 4Л температура на поверхности (r=rp): с — ж +

2а (2) Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получают перепад температур Й в поперечном сечении, градиент которого направлен от поверхности внутрь:

2

ro

0t = t0 — tñ — q

4Л (4) Из уравнения (3) непосредственно находят значение коэффициента теплоотдачи а:

О: q

2(с — ж) (5) 60

Для создания внутренних источников тепла, равномерно распределенных по объему тела, могут быть, применены постоянный элек65 трический ток либо переменный электрический гральные значения коэффициентов теплопроводности и электросопротивления в интервале температур заданного перепада (Й вЂ” заданный перепад в поперечном сечении изделия);

5 d — определяющий размер поперечного сечения: для цилиндра и шара — их диаметр, для плоской стенки — ее толщина; Л1 — температурный напор охлаждения, разность температур поверхности и охлаждающей среды.

10 На фиг. 1 изображено температурное поле в,изделии и охлаждающей среде при обработке,по предлагаемому способу; на фиг. 2 и 3 — соответственно прафики отпуска и закалки по предлагаемому способу.

15 Теплофизические основы описываемого способа следующие.

Пусть, например, в круглом цилиндре (фиг. 1) имеются внутренние источники тепла, равномерно распределенные по его объ20 Гат ему, с интенсивностью д — . Цилиндр

AP охлаждается с постоянным по всей поверхно07 сти коэффициентом теплоотдачи а ) в дг град 1 охлаждающей среде с температурой 4< ——

=iconst. Если радиус rp цилиндра мал по сравнению с его длинной, то температура будет изменяться только вдоль радиуса, то ч0 есть рассматривается одномерная задача.

Пр;и этих условиях распределение температуры в круглом цилиндре подчиняется параболическому закону, а температура t любой точки в поперечном сечении, отстоящая от

55 оси на расстоянии r, может быть вычислена по уравнению:

377339 (6) 2Л

rt 4Л M — или х =-- —, М d М (8) ro (9) 1=КР М—

Л ct а а=К,— —, М (10) 50

65 ток, удвоенная глубина проникновения которого в металл в интервале температур И не меньше определяющего размера d поперечного сечения изделия, в рассматриваемом случае не меньше 2r0 — — d.

Учитывая, что для цилиндра уг2

2г (г О) где р — коэффициент электросопротивления материала цилиндра (оя. л), можно найти уравнения для расчета режимных параметров: сила тока 1(а) и коэффициента теплоотдачи к для создания и дости>ке ния к концу нагрева заданных значений Ы и 4:

Л ° Г Л

1= 2rr, i t — или 1= Р y rt —, (7) (9 Р где Al= (t0 — 4<) — температурный напор охлаждения; P — смоченный, то есть охлаждаемый периметр поперечного сечения.

Если рассматриваются другие геометри веские формы поперечных сечений изделий, структура уравнений (7) и (8) не изменяется, однако необходимо вводить поправки— коэффициенты пропорциональности К и К, отвечающие геометрическим особенностям конкретных тел: где XI=1, а К2=4 (для круглого цилиндра).

В каждом конкретном случае коэффициенты AI и К2 определяются расчетом или экспериментально. То >ке самое относится к коэффициентам Х и р, средние интегральные значения которых в интервале температур 6t могут быть рассчитаны по литературным данным или определены экспериментально.

Металловедческие основы применения описываемого способа для упрочнения изделий из стали и сплавов следующие.

Большая номенклатура изделий машиностроения работает в условиях изгиба, кручения или износа при высоких контактных напряжениях. Для этих условий нагруже ния требуется прочный поверхностный слой и бла- гоприятное распределение остаточных напряжений. Сравнительно вязкая сердцевина нужна лишь .при ударном приложении нагрузки и для повышения живучести изделий с поверхностными трещинами усталостного, произволственного или эксплуатационного происхождения. Однако через уровень свойств сердцевины можно влиять на прочность изделия в целом. в пеовую очередь, путем получения благоприятной эпюры остаточных напряжений со значительными по величине сжимающими напряжениями на поверхности.

Зо

6

Особенно благоприятные условия для этого создаются при обработке согласно описываемому способу. Только внутренний отпуск изделия из углеродсоде р>кащей стали, предварительно объемно закаленного иа мартенсит, позволяет получить в поперечном сечении изделия плавный спектр структур отпуска мартенсита, имеющих удельные объемы, меньшие удельного объема мартенсита поверхностного слоя. Тем самым, по окончании внутреннего отпуска в сердцевине будут растягивающие остаточные напряжения, а на поверхности — сжимающие. Аналогичные условия создадутся при проведении внутренней рекристаллизации (возврата) объемнонаклепаиного изделия. Однако требуемые для этого перепад температур и температура поверхности могут быть уста новлены только экспериментом. Верхней температурной границей для внутреннего отпуска, как впрочем и для обычного, является температура нижней критической точки. Технологическая эффективность применения внутреннего отпуска будет определяться возмо>кностью получения требуемого ком пле кса механических свойств при коротких выдержках, так как процесс внутреннего отпуска энергоемкий. В случае замены цемеитованиых изделий отпущенными внутри необходимо изготовлять последние из высокоуглеродистых сталей со сквозной прокаливаемостью. Для изделий подшипниковой промышленности такие стали имеются и применяются. Для такой распространенной номенклату ры изделий как пружины и рессоры замена сталей может не потребоваться.

Для сталей и сплавов, упрочняемых как и мартенситостареющие стали закалкой и старением, целесообразно проводить внутреннюю закалку после предварительно проведенных по оптимальным режимам объемной закалки и старения. Дополнительная внутренняя закалка разупрочнит сердцевину и повысит хрупкую прочность изделия в целом.

Термическую обработку по предлагаемому способу проводят следующим образом.

Обрабатываемое изделие предварительно объемно упрочняют. Устанавливают величину перепада температур в сечении и температуру его поверхности в процессах нагрева и выдержки, исходя из целей конкретной операции. Затем выбирают по приведенным выше зависимостям силу тока и его род, коэффициент теплоотдачи в охлаждающую среду.

Далее выполняют обработку в соответствии с графиками (фиг. 2 и 3) за счет одновременного охлаждения поверхности и пропускания тока с выбранными параметрами интенсивности. Конец нагрева устанавливают по неизменности показания амперметра установки.

По истечении выдержки ток отключают, а изделие охлаждают по режиму конкретной выполняемой операции.

Описываемый способ электротермической обработки апробирован в лабораторных усло377339

Таблица 2

Твердость на оси образца после обработки, HRC

Предел прочности при изгибе, к% м

Сила тока

1, а,1чо дь п/п

2576

3634

5244

336

296

326

365

60,0

59,7

58,5

57,6

57,3

217

60,5 контрольные

Предел прочности при изгибе, кг/млР

Твердость на оси образца HRC

pJо Jlpo п/п

Сала тока, I, а

6715

61,8

61,8

59,1

56,8

54,0

461

422

394

405

279

62,5 контрольные

Ы а=К,— —, М виях. Ниже приводятся результаты этих испытаний.

Пример 1. Отпуск объемнозакаленных и объемноотпущенных цилиндрических образцов диаметром 16 мм и длиной 80 мм из стали

ШХ15СГ на опытной установке.

Образцы предварительно подвергали стандартной термической обработке — закалка от

840 С в масло, отпуск 160 С вЂ” 1 час. Твердость после закалки и отпуска 63 — 64 H|RC.

Внутренний отпуск образцов проводился на опытной установке. Образец закреплялся своими концами в токоподводах, между которыми соосно образцу устанавливался пластмассовый кольцевой спрейер, питаемый от водопровода. Через образец пропускался электрический переменный ток промышленной частоты с силой 1, а поверхность одновременно охлаждалась водой из спрейера.

В этих условиях применялась выдержка

1 мин.

Данные о режиме обработки и свойствах обработанных и контрольных образцов (по три образца на точку) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Данные, приведенные в табл. 1, показывают, что образцы после дополнительного внутреннего отпуска по различным режимам имеют высокую прочность. По сравнению с контрольными образцами прочность возросла на 41 — 65%.

П р и и е р 2. Отпуск объемнозакаленных и объемноотпущенных цилиндрических образцов диаметром 16 мм и длиной 80 мм из стали бОС2 на опытной установке.

Образцы предварительно подвергали объемной термической обработке — закалка от

870 С в масло и отпуск 100 — 2 час. Твердость после такой обработки 60 — 62HRC.

Внутренний отпуск образцов проводился аналогично описанному в примере 1.

Данные о режиме обработки и свойствах обработанных и контрольных образцов (по три образца на точку) приведены в табл. 2.

Прочность образцов из рессорной стали с хрупким состаренным мартенситом на поверхности возросла по сравнению с контрольными на 36 — 68%.

После разрушения в поперечном сечении образцов пз сталей ШХ15СГ и 60С2 визуально наблюд .ется контурный поверхностный

65 слой (со структурой, полученной предварительной термической обработкой) и вновь отпущенная центральная часть.

Предмет изобретения

Способ электротермической обработки изделий из стали и сплавов, включающий нагрев и выдержку при пропускании электрического тока через изделие и его охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения комплекса механических свойств изделий, предварительно объемноупрочненных, путем создания в поперечном сечении изделия перепада температур с градиентом, направленным внутрь от поверхности, достижения заданных значений указанного перепада и температуры поверхности в конце нагрева и поддержания их постоянными при выдержке, в процессе нагрева и выдержки через изделие пропускают ток, удвоенная глубина проникновения которого в металл изделия в указанном перепаде температур не меньше определяющего размера поперечного сечения изделия, с одновременным охлаждением поверхности, причем значения силы тока и коэффициента теплоотдачи выбирают в соответствии со следующими формулами: где К1 и Кз — коэффициенты пропорциональности, отражающие влияние формы поперечного сечения на условия достижения заданных значений перепада температур и температуры поверхности, определяемые расчетом или экспериментально; Р— смоченный, т. е. охлаждаемый периметр поперечного сечения изделия; Ы вЂ” заданный перепад температур в поперечном сечении изделия; Х, р — соответственно средние интегральные значения коэффициентов теплопроводности и электросопротивления в интервале температур Ы; d— определяющий размер поперечного сечения: для цилиндра и шара — их диаметр, для плоской стенки — ее толщина; И вЂ” температурный напор охлаждения, разность температур поверхности и охлаждающей среды.

377339

ЕВ77р сйрхю-т

Составитель Л. Михайлова

Техред Л. Грачева Корректор Е. Михеева

Редактор Б. Нанкина

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1916/4 Изд. № 1563 Тиран(647 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5