Способ электротермической обработки изделий из стали и сплавов

-0 Л ИЗО АЙ И И ТЕН ИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ висимое от авт. свидетельствахл С 210 115 Заявлено 17 Л 1.1969 (М 130671с присоединением заявкииоритет 21.013.8 (088.8).1 Ч.1973. Бюллетень18 бликов ата опубликования описания 18,Ч 11.197 Автор зобретенпя нкин явител ПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ О ИЗ СТАЛИ И СПЛААБОТ Объемная элек включает нагрев пропускании тока Поверхностная ская обработка в ного слоя до зада ленное (без выдерботка тротермическая обр и выдержку издел и охлаждение.(местная) электрот ключает нагрев пове нпой температуры и жки) охлаждение. мич хност- емедИзобретение 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. Поверхностная закалка стальных изделий,выполненная по,оптимальному режиму, позволяет повысить их усталостную и хрупкуюпрочность при изгибе и кручении по сравне 5 нию с объемнозакаленными. Однако статическая прочность последних выше,Способом упрочнения, соединяющим в себечерты как объемной, так и поверхностнойэлектротермической обработки, является ме 10 тод поверхностной закалки изделий из сталей пониженной прокаливаемости при глубинном индукционном нагреве. Особенностьметода (и его основное достоинство) заключается в том, что за одну технологическую15 операцию достигается закалка поверхностии определенное упрочнение сердцевины изделия, Однако метод обладает и недостатками,которые оущественно ограничивают областьего,применения. Главные из них: необходи 20 мость использования специальных сталей,сложность изготовления сталей пониженнойпрокаливаемости для малых сечений, а также принципиальная невозможность созданияэффекта пониженной прокаливаемости в не 25 ржавеющих, теплостойких и жаропрочныхсталях, как высоколегированных по своемуназначению.Таким образом, всей совокупности известных способов электротермической обработкиЗО присущ один коренной недостаток, суживаю.3щий ее технологические возможности и заключающийся в том, что она (совокупность) располагает лишь двумя возможными форма. ми геометрии нагрева: 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 объемцоупрочненцом), наиболее полно согласованное с характером нагружения и распределением напряжений от нагрузки. Облегчается решение задачи пространственно неоднородного (гетерогенного) упрочнеция 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 пропуоскают постоянный либо переменный электрический ток, удвоенная глубина проникновения которого в металл в заданном перепаде температур была не меньше определяющего размера Й поперечного сечения изделия с силой 1, одновременно его поверхность охлаждают с коэффициентом теплоотдачи д, а значения указанных режимных параметров обработки выбирают, по крайней мере, для стадии выдержки в соответствии с соотношениями;1 =К,Р о 1 -Л Ыа=К, -Мгде К и К 2 - коэффициенты пропорциональности, отражающие влияние формы поперечного сечения изделия на условия достижения заданных перепада температур и температуры поверхности, определяемые расчетом или экспериментом; Р - смоченный, то есть охлаждаемый периметр поперечного сечения; Л, р - соответственно средние инте 40 где Л - коэффициент теплопроводности ма.териала цилиндра.Температура на оси цилиндра (г=О),д ,г, д, го452 4 Лтемпература на поверхности (г=го):с - ж+ ф2 а(2) Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получают перепад темиератур Й в поперечном сечении, градиент которого направлен от поверхности ввутрь: 50 2 о оУ = Уо - , - д4 Л(4) Из уравнения (3) непосредственно находят значение коэффициента теплоотдачи а:д2(с - ж)(5) 60 Для создания внутренних источников тепла, равномерно распределенных по объему тела, могут быть,примецены постоянный элек трический ток либо переменный электрический гральные значения коэффициентов теплопроводности и электросопротивления в интервале температур заданного перепада (О - заданный перепад в поперечном сечении изделия);5 д - определяющий размер поперечного сечения: для цилиндра и шара - их диаметр, для плоской стенки - ее толщина; Л 1 - температурный напор охлаждения, разность температур поверхности и охлаждающей среды.10 На фиг. 1 изображено температурное полев,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 описываемогоспособа следующие.Пусть, например, в круглом цилиндре(фиг. 1) имеются внутренние источники тепла, равномерно распределенные по его объ Гвтему, с интенсивностью д- , ЦилиндрлРохлаждается с постоянным по всей поверхно 07сти коэффициентом теплоотдачи а1 вмггоад )охлаждающей среде с температурой 1, -- =сопз 1. Если радиус го цилиндра мал по сравнению с его длинной, то температура будет изменяться только вдоль радиуса, то З 0 есть рассматривается одномерная задача.Пр;и этих условиях распределение температуры в круглом цилиндре подчиняется параболическому закону, а температура 1 любой точки в поперечном сечении, отстоящая от 55 оси на расстоянии г, может быть вычисленапо уравнению:(10) 50 55 60 65 ток, удвоенная глубина проникновения которого в металл в интервале температур И не меньше определяющего размера д поперечного сечения изделия, в рассматриваемом случае не меньше 2 го=д.Учитывая, что лля цилиндраугг2 г ф(г) О)г где р - коэффициент электросопротивления материала цилиндра оя.,и 1, мо)кно найти уравнения для расчета режимных параметров: сила тока 1 а и коэффициента тепло- отдачи к лля создания и дости)кения к концу нагрева заданных значений Ы и :Г, Л1= 2 иг, 61 - или 1= Р г о 1 - , (7) где Л 1= (1, - 1) - температурный напор охлаждения; Р - смоченный, то есть охлажлаемый 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 К=1, а К=4 (лля круглого цилиндра).В каждом конкретном случае коэффициенты К и К определяются расчетом или экспериментально, То же самое относится к коэффициентам Х и р, средние интегральные значения которых в интервале температур б могут быть рассчитаны по литературным данным или определены экспериментально,Металловедческие основы применения описываемого способа лля 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 нагружения требуется прочный поверхностный слой и бла- гоприятное распрелеление остаточных напряжений. Сравнительно вязкая сердцевина нужна лишь при ударном прилояении 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. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 6Особенно благоприятные условия для этого создаются при обработке согласно описываемому способу. Только внутренний отпуск изделия из углеролсолержащей стали, предварительно объемно закаленного иа мартенсит, позволяет получить в поперечном сечении изделия плавпыи спектр структур отпуска мартенсита, имеющих удельные объемы, меньшие удельного объема мартенсита поверхностного слоя. Тем самым, по окончании внутреннего отпуска в сердцевине будут растягнвающие 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 установлены 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 возмояностью получения требуемого комплекса механических свойств при коротких вылеряках, так как процесс внутреннего отпуска энергоемкий. В случае замены цемеитова нных излелий отпущенными внутри необхолимо изготовлять последние из высокоуглеролистых сталей со сквозной прокаливаемостью. Для излелий подшипниковой промышленности такие стали имеются и применяются. Для такой распространенной номенклатуры изделий как пруяины 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 провеленных по оптимальным реяимам 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 усло.Таблица 2 Предел прочности при изгибе, кмТвердость на оси образца после обработки, НЯС Сила тока 1, а1 чодои/и 2576 3634 3960 4600 5244 336 296 326 330 365 60,0 59,7 58,5 57,6 57,3 10 217 605 контрольные 15 Твердость на оси образца НКСПредел прочности при изгибе, кг/млР Сала тока,У, авиях. Ниже приводятся результаты этих испытаний.П р и м е р 1, Отпуск объемнозакаленных и объемноотпущенных цилиндрических образцов диаметром 16 мм и длиной 80 мм из стали ШХ 15 СГ на опытной установке,Образцы предварительно подвергали стандартной термической обработке - закалка от 840 С в масло, отпуск 160 С - 1 час. Твердость после закалки и отпуска 63 - 64 НКС. 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 (, 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 объемноотпушенных цилиндрических образцов диаметром 16 мм и длиной 80 мм из стали бОС 2 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 - 62 НЯС.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 сост аренным мартенситом на поверхности возросла по сравнению с контрольными на 36 - 68%,После разрушения в поперечном сечении образцов пз сталей ШХ 15 СГ и 60 С 2 визуально наблюдается контурный поверхностный 20 25 30 35 40 50 55 60 65 слой (со структурой, полученной предварительной термической обработкой) и вновь отпущенная центральная часть. Предмет изобретенияСпособ 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 К 1 и К, - 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; Й - заданный перепад температур в поперечном сечении изделия; Х, р - соответственно средние интегральные значения коэффициентов теплопроводности и электросопротивления в интервале температур Ы; д - определяющий размер поперечного сечения: для цилиндра и шара - их диаметр, для плоской стенки - ее толщина; И - температурный напор охлаждения, разность температур поверхности и охлаждающей среды.377339 аберхюп Редактор анкин ипография, пр. Сапунов Заказ 1916/4ЦНИИПИ Комитета ставитель Л. МихайловаТехред Л. Грачева Корректор Е. Михеев Изд.1503 Тираж 647 Подписноеделам изобретений и открытий прп Совете Министров СССРМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5