Способ закалки цилиндрических изделий с осевым отверстием

Изобретение Относится к терми- нескОЙ Обработке стальных иэдепий и мпжет гесполг) ЗОватьГя в частнОГти при закаетке валок и роторов с Осевым отверстием для турбин и генераторов.ИггтенсиАикация охлаждения при закл.ггке является одним иэ эфАектинных ПЧТЕЙ ПОКЬШЕЕПИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ХРУП кому разрушению стальных иэделий при эксплуатации. Однако, как прави ло, интенсивное охлаждение сопровождается возникновением в стали высоких текущих (временных) и остаточных напряжений, Заготовки многих ответственных и металлоемких изделий энер 15 гетического и тяжелого машиностроения (таких как роторы, валы, прокатные валки и т.п.) имеют осевое отверстие. С целью получения высоких эксплуатационных характеристик такие изделия при закалке охлаждают как с внешней поверхности, так и со стороны осевого отверстия. Известны способы поверхностнойзакалки изделий типа прокатных валков, предусматривающие нагрев иэделия и его последующее охлаждение состороны внешней поверхности и осевого отверстия Я . Нагрев осуществляют таким образом, что выше критической точки Ас нагревается толькослой металла, прилегающий к внешнейповерхности изделия. Соответственноэтот слой металла закаливается (испытывает- р, превращение) при 35последующем охлаждении. Поверхностную закалку валков производят и спрерывистым Охлаждением осевого отверстия 2: при погружении изделияЭв бак начинают прокачивать охлаждающую среду через осевое отверстие,а затем подачу охладителя прерьевают.Подача Охлаждающей жидкости в осевое отверстие при одновременномохлаждении внешней поверхности используется также при объемной закалке прокатных валков и роторов,В рассмотренных способах закалкиохлаждение осевого отверстия изделия начинают одновременно с охлаждением внешней поверхности. Такиеспособы охлаждения хорошо зарекомендовали себя при поверхностной и объемной закалке прокатных валков И,когда в связи с особенностями прогре ва сечения изделия и структурныхпревращений при охлаждении калковьгс,,стаетей (9 ХФ, 60 ХН, 75 ХИ и т.п.) только тонкиЙ поверхностный слОЙметалла эакаливается на мартенситную или бейнитную структуру, В основной части сечения после закалки образуется (в случае объемной закалки) или сохраняется (в случае поверхностной закалки) перлитная структура, Внутренние напряжения в закаливаемых стальных изделиях существенно зависят не только от способа Охлаждения, размера и деормы иэделий, но и от характера структурных превращений стали. В случае закалки полых цилиндрических изделий из валковых сталей одновременное охлаждение осевого канала и внешней поверхности обеспечивает безопасный уровень внутренних напряжений.Недостатком рассмотренных способов охлаждения в случае объемной закалки полых цилиндрических изделий с образованием почти по всему сечению бейнитной структуры является высокий уровень временных и остаточных напряжений, В связи с этим реальной является опасность возникновения закалочных трещин, которая возрастает из-эа неустойчивого в начальный период (при высокой температуре стенок) характера течения жидкости в осевом отверстии. Неустойчивость течения приводит к неравномерности отвода тепла по длине и периметру осевого отверстия и соответственно к неравномерности распределения механических свойств стали вблизи отверстия, что и повышает вероятность образования эакалочных трещин.Закалка цилиндрических изделий из сталей, химический состав которых обеспечивает реализацию мартенситного превращения по всему сечению крупных изделий с одновременным началом охлаждения внешней поверхности и осевого отверстия также представляет значительную опасность разрушения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ закалки полых цилиндрических изделий, который включает нагрев йзделия до температуры аустенизации и его последующее охлаждение со стороны осевого отверстия и внешней поверхности. Охлаждение изделия заканчива154345 3ют при снюкении средней температурыо,в сечении до уровня 250 С 41,Окончание охлаждения при сравнительно высокой температуре металлапозволяет снизить риск разрушенияиз-за действия остаточных напряжений, но текущие напряжения в процессе охлаждения являются высокими ипо-прежнему в начальный период существует неравномерность охлажденияканала,Цель изобретения - предотвращениезакалочных трещин,Указанная цель достигается тем,что согласно способу закалки цилиндрических изделий с осевым отверстием, включающему нагрев до температуры аустениэации и последующееохлаждение со стороны наружной поверхности и осевого отверстия, осевое отверстие предварительно заглушают, а охлаждающую среду в отверстие подают с момента достиженияповерхностью отверстия температурыначала бейнитного или мартенситногопревращения стали.Сущность изобретения заключаетсяв том, что после. нагрева до температуры аустенизации осевое отверстиеизделия заглушают и изделие помещают в закалочный бак или установкуспрейерного (водовоздушного) охлаждения. Сначала изделие охлаждаютсо стороны внешней поверхности, осевое отверстие охлаждают только с момента достижения его поверхностьютемпературы начала бейнитного илимартенситногопревращения стали.Прерывание закалки до подключенияустройства охлаждения осевого отверстия может вызывать повышение неравномерности температуры по поверхнос ти изделия, что весьма опасно приналичии хрупкого закаленного слоястали. Поэтому предлагается вариантспособа закалки с использованиемЮодного устройства для заглушенияосевого отверстия и его последующего охлаждения без прерывания закалки,применение предлагаемого способа позволяет существенно снизить уровень наибольших растягивающих текущих и остаточных напряжений по сравнению со способами, предусматривающими одновременное начало охлаждения внешней поверхности и осевого отверстия изделия. Кроме того, при подаче жидкости в отверстие, температура стенок которого значительно нижетемпературы аустенизацин, исключается неустойчивость течения закалочной жидкости в начальный период охлаждения отверстия. Таким образом,обеспечивается высокая равномерностьмеханических свойств стали на поверхности отверстия.Предлагаемый способ позволяет по лучить высокие механические свойства стали, поскольку подача охлаждающей среды в осевое отверстие в моментдостижения его поверхностью температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали существенноповышает скорость охлаждения в интервале температур превращения для слоевметалла, прилегающих к отверстию,а для внутренних зон - также и в интервале температур перед структурнымпревращением.В период задержки охлаждения зона,прилегающая к поверхности осевогоотверстия, является наиболее теплоинерционной зоной сечения изделия.Поэтому мартенситное превращение наповерхности осевого отверстия реализуется только в случае применениястали, обеспечивающей зто превращеие по всему сечению изделия. Прерывание закалки крупных изде-.лий для подсоединения устройства подачи жидкости в осевое отверстиевесьма опасно. В частности, извлечеЗ 5 ние изделий из бака в процессе охлаждения опасно в связи с возникновением на поверхности значительных перепадов температур. Эта опасность возрастает вследствие наличия на по верхности хрупкого закаленного слояиз существенно различной массивностиразличных частей изделия (таких какбочки и шейки ротора) . Поэтому использование одного устройства для 45 заглушения отверстия и подачи внего охлаждающей жидкости без прерывания закалки существенно снижаетопасность возникновения эакалочныхтрещин. Отсутствие необходимости иэ влечения изделия иэ бака в процессеохлаждения уменьшает время работы закалочного крана, что важно для термических участков с несколькими печами и баками.55 Закалку производят следующим образом.Изделие нагревают до температурыаустенизации, стыкуют с устройством1154345 Составитель В.КитайскийРедактор Н.Тупица Техред Л,Микеш Корректор О.Тигор Заказ 2636/25 Тираж 553 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 охлаждения осевого отверстия, а затем переносят в закалочный бак или установку спрейерного или водовоздушного охлаждения. Сначала осевое отверстие заглушено и изделие охлаждается только со стороны внешней поверхности. С момента достижения поверхностью осевого отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали зака лочную среду подают в отверстие путем принудительной или естественной циркуляции, Момент достижения поверхностью осевого отверстия температуры начала бейнитного или 1 мартенситного превращения стали можно определить по показаниям зачеканенной термопары.П р и м е р . Закалку ротора производят из стали 26 ХНЗМ 2 ФА с диа метром бочки 1,8 м и диаметром осевого отверстия 0,32 м в воде с охлаждением внешней поверхности и осевогоо отверстия. Ротор нагревают до 860 С, выгружают.из печи, стыкуют с устрой З ством принудительного охлаждения осевого отверстия и затем погружают в бак с водой.Рассмотрим два варианта охлаждения. 30В первом варианте (без использования предлагаемого способа) охлаждение осевого отверстия начинают одновременно с погружением ротора в бак. Результаты расчетов по специальной программе свидетельствуют о том, что в процессе охлаждения, возникают высокие растягивающие напряжения, достигающие на поверхности отверстия 104 кгс/мм при температуре металла около 100 С, Такие напряжения опасны при допустимых по техническим условиям размерах металлургических деФектов до 3 мм, находящихся в хрупкой закаленной структуре. Высокий уровень напряжений при закалке по первому варианту приводит к возникновению закалочных трещин в осевом канапе опытного ротора.Во втором варианте охлаждение осевого отверстия начинают через 10 ч после погружения ротора в бак, что соответствует снижению температурыо поверхности отверстия до 400 С (температура начала бейнитного превращения стали 26 ХНЗМ 2 ФА), При этом обеспечиваются достаточно высокие механические свойства стали, а максимальные растягивающие напряжения, согласно выполненным расчетам, не превышают 45 кгс/мм . Такой уровень напряжений (менее половины предела текучести закаленной стали) вполне. безопасен.Изобретение целесообразно использовать в энергетическом машиностроении при разработке технологии изго.товления крупных роторов. Ожидаемый экономический эфФект отвнедрения изобретения составляет340 тыс.руб. в год.