Способ термической обработки изделий

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 101 7 50 4 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛЬСТВУ ОРСНОМУ 932824/22-027.07.855.12.86. Бюл. У 4изико-техническийР(53) 621.78 (56) Непеля деталей маш при индукци ностроение,(54) СПОСОБИЗДЕЛИЙ(57) Изобретти термическиэделий. Целшение устало б ие относится обработки с изобретения ной прочност альных повыи каГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ С пО делАм изОБРетенийи Отн Тарарук,о и . , Семенюк79,(088.8)вский К.З. Упрочнениеповерхностной закалконом нагреве. М.: Маши 972, с. 162-164.ЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ,.ЯО, 1276673 А 1 чества изделия за счет сохраненияего геометрических размеров. Изобретение позволяет повысить усталост-,ную прочность деталей машин и снизить технологические затраты при ихизготовлении путем предварительнойупрочняющей термообработки, осуществляемой при поверхностном нагреве иповерхностной закалке с последующимотпуском. Глубину нагрева предварительной упрочняющей термообработкии глубину поверхностной закалки назначают в зависимости от размераопасного сечения изделия и твердостей сердцевины изделия, поверхностного закаленного слоя и слоя, упрочняемого предварительной термообработкой. 5 ил., 3 табл, 766731Изобретение относится к областитермической обработки иэделий изсреднеуглеродистых низколегированных сталей и может быть использованодля повышения усталостной прочностидеталей машин типа балок, шестерен,валов и т.д.Цель изобретения - повышение усталостной прочности и качества иэделия эа счет сохранения его геометрических раэмерон,Сущность изобретения заключаетсяв том, что применение при предварительной упрочняющей термообработкеповерхностного нагрева, вместо объем"но 1 о, познолчет получить независимоот прокаливаемости стали вязкую серд"ценину и оптимальную глубину преднарительно упрочняемого слоя, которыйв сочетании с вязкой сердцевиной иповерхностнозакаленным на оптимальную глубину слоем создает такое распрецеление прочностных свойств сталипо сечению, которое более полно состветствует распределению напряженийвозникающих при воздействии на изделие предельных нагрузок. Нарядус максимальной статической прочностью оно получает дополнительныйзапас .вязкости, что увеличиваетего усталостную прочность. На фиг. 1 и 2 даны схемы распределения соответственно твердости и прочности по поперечному сечению вала диаметром О, термообрабатываемого предлагаемым способом; на фиг3 - опасное сечение бруса с центром тяжести сечения О; на, фиг, 4 и 5 - графики двух вариантов термической обработки, На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: Б ось абсцисс, на которой откладываютсярасстояния от наружного контура сечения в направлении к центру его тяжес-, ти; Н - ось ординат, на которой откладывается значение твердости; О - точка на внешнем контуре сечения, в которой возникают наибольшие напряжения, являющаяся одновременно центром осей координат; К - расстояние от .центра тяжести сечения до точки О.Н Н, Нэ - твердость с сердцевины вала, слоя упрочненного предварительнои термообработкой, и слоя, полученного после. поверхност-. ной закалки и отпуска соответственно," Б, - оптимальная глубина слоя упрочияемого преднгрител;:"ой тед. "1 О 15 2 О 25 ЭО 35 4 О Я 5 О 55 обработкой; Б - оптимальная глубина поверхностной закалки; Е - центр тяжести сечения; б,; б 1 б - предел прочности сердцевины вана, слоя упрочненного преднарительной термообработкой, и слоя, получаемого после поверхностной закалки и отпуска, соответственно.Так как между твердостью и прочностью существует для сталей линейная связь, то зная распределение твердости по сечению, можно построить график распределения прочности. Такое распределение прочности по сечению, соответствующее распределению твердости, изображаемому на фиг, 1, дано на фиг. 2. Кроме того, на фиг. 2 дана зпюра напряжений, возникающих в сечении при воздействии на иэделие предельных нагрузок, при которых н иэделии, термообработанном на максимальную прочность возникают напряжения, равныепределу прочности или пределу пропорциональности,Прямая АЕ (фиг. 1), соединяющаяцентр тяжести сечения Е с точкой А,показывающей твердость поверхностного слоя, полученного после поверхностной закалки и отпуска, является линией идеального распределения твердости, при котором достиается Максимальная прочность вала на изгиб и кручение при максимальном запасе вязкости, Идеальное распределение твердости по сечению вала практически получить невозможно, однако современные методы нагрева позволяют частично приблизить это распределение к,идеальному путем послойного упрочнения сечения с последонательным снижением твердости каждого слоя. Чем больше термообработанных слоев, тем больше приближаетса к идеальному распределение твердости в сечении, но с унеличе-и нием числа слоев увеличиваются затраты на термообработку, а прирост усталостной прочности с прибавлением следующего слоя падает. Двухслойная термообработка наиболее рациональна с точки зрения получения суммарного эФфекта, так как она легко осуществима на практике и позволяет значительно приблизить распределение твердости по сеч:-иию нала к идеальному,гаспред.ление 1 редела прочностипо сечению прч пгнигачт-.ноч распределенни твердости описывается пнямой1276 б 73 1 О 3АР, (фиг. 2) и полностью соответствует эиюре напряжений, возникающихпри воздействии на изделие предельных нагруэок. Если на прямой АЕ(фиг. 1) взять точку С с координатой на оси ординат, равной твердости Н сердцевины, то вторая кордината этой точки на оси абцисс соответствует оптимальной глубине слояБ, упрочняемого предварительнойтермообработкой,На фиг. 1 и 2 видно, что при от -клонении глубины упрочненного слояот оптимальной в сторону уменьшения,в сечении образуется опасная зона, 15в которой предельная прочность стали ниже напряжений, возникающих припредельных нагрузках (см. фиг, 1 и2, кривые, расположенные левее точки С и С, показанные штриховыми ,с 0линиями). Вероятность зарожденияусталостной трещины в этой зоненаибольшая. При отклонении глубиныупрочненного слоя в сторону увеличения уровень вязкости изделия умень-г 5шается, что также ведет к уменьшению усталостной прочности,Если на прямой АЕ взять точку Вс координатой на оси ординат, равнойтвердости Н слоя, получаемого припредварительной упрочняющей термооб,работке, координата этой точки наоси абсцисс соответствует оптимальной глубине слоя, упрочняемого поверхностной закалкой, Отклонения глубины упрочняемого слоя в сторону35уменьшения также приводит к образованию опасной зоны (см. фиг. 1 и 2,кривые, расположенные левее точки Ви В показанные штриховыми линиями), а отклонения в сторону увеличения слоя "- к уменьшению вязкости детали, а также уменьшению усталостной прочности. Максимальные напряжения в сечении круглого вала возни 45кают как при кручении, так и приизгибе в наружных точках, которыеодинаково удалены от центра тяжестисечения, поэтому при кручении и приизгибе оптимальные глубины упрочняе 50мых слоев для наиболее напряженныхточек одинаковы,В брусе некруглого сечения, вотличии от цилиндрического, точкис максимальными напряжениями при 55кручении и изгибе могут не совпадатьи находиться на разных расстоянияхот центра тяжести. Обоснование выбора соотношенийдля определения глубин термообрабатываемых слоев рассмотрим болееподробно на примере бруса произвольного сечения (фиг, 3).Пусть в сечении от крутящего момента возникают наибольшие напряже-.ния в точке А. Соединим точку Л сцентром тяжести О и перпендииулярноотрезку АО через точку А проведемпрямую линию. На этой прямой отложим в принятом масштабе числовыезначения твердости сердцевины бруса,слоя упрочняемого предварительнойтермической обработкой, и слоя, получаемого после поверхностной закалки и отпуска, и обозначим их точками А, А и Аз соответственно.Соединив точку А с точкой О получим треугольник АЛ О, в которомсторона А О, как и отрезок АЕ нафиг, 1, является линией, характеризующей идеальное распределение твердости по сечению бруса для точки А.Это распределение твердости по сечению пропорционально распределениюнапряжений, возникающих в сечениипри воздействии на брус предельногокрутящего момента. Если в треуголь"нике АА О параллельно стороне АОпровести через точки Аи А прямыелинии и точки пересечения этих линийсо стороной АО обозначить соответственно А, и А , то полчается треугольники А 2 АЗЛ 2 и А,АЗЛ. Подобныетреугольнику АЛ.О.Введем соответствующие обозначения сторон треугольников: ААэ=Нэ -твердость слоя, получаемого послеповерхностной закалки и,отпуска;АО=К - расстояние от центра тяжестисечения до точки на внешнем контуресечения, для которой определяют глубины упрочняемых слоевА, А. =АЛ - АА, =Н, -Н 1,где Н - твердость сердцевины бруса; А Л. - АА 5-АЛ=Нэ где Н - твердость слоя, упрочняемого предварительной термообработкой;А,А,=Б - оптимальная глубина слой,упрочняемого предварительной термообработкой;А А=Я - оптимальная глубина поверхностной закалки.Из подобия треугольников можно за- писатьН (-Н, или 8 =й - - Н, 1Н -Н,г Н 20 Покажем, что соотношения полученные для определения глубин упрочняемых слоев бруса, работающего при .кручении, справедливы для бруса, работающего на изгиб.Пусть в опасном сечении бруса(Фиг. 3) от изгибающего моментавозникают наибольшие напряжения вточке В, а напряжения равны нулюна нейтральной линии ЮЯ(.Определимдля этой точки оптимальные глубиныупрочняемых слоев. Для этого из точки В опустим перпендикуляр на нейтральную линию БИ(. Точку пересечения его с нейтральной линией обозначим О( . Перпендикулярно отрезку ВОчерез точку В проведем прямую линию.По одну сторону этой линии отложимзначения твердостей сердценины брусаслоя, упрочняемого предварительнойтермообработкой, и слоя, получаемо -го после поверхностной закалки и от-:пуска, обозначив их В В и Вэ саот 30нетственно. Соединив точку Вэ с тон "кой О, получим треугольник ВВОн котором сторона ВО( является лкнией, характеризующей идеальное распределение твердости по сечен 1 юбруса при изгибе для точки В, обеспечивающее наибольшую прочноси примаксимальном запасе вязкости. Еслипараллельно стороне ВО( треугольника ВБО( провести через точки В(и Вг прямые линии и точки иересечения их со стороной ВзО( обозначитьсоответственно В и В то полу".аю- Фся треугольники В( ВВк В ВВ, погз 2 фдобные треугольнику ВВО( .45Введем соответствующие обозначения сторон треугольников: ВО 1=Рнаименьшее расстояние от нейтральной линии сечения до точки на внешнем контуре, для которой определяютглубины упрочняемых слоев ВВ =.Н9 Этвердость слоя, получаемого. послеповерхностной закалки и отпуска;В, В,=ВВ-ВВ,. =Н;Н (где Н ( - твердость сердцевины бруса;В В. =ВВ -ВВ=11-Н,где П - твердость слоя, упрочняемого гредварительной термообработкой;В В =Б - оптимальная глубина слоя, (1упрочняемого предварительной термообоаботкой; В В =Я - оптимальная глубина поверхг г гностной закалки.Из подобия треугольников можно записать П -Н( или Я =Е -Н эН -Нили Б =К --- .Э Соотношения, полученные для определения оптимальных глубин упрочняемах слоев бруса произвольного сечения, работающего на изгиб и на кручение, аналогичны.Предлагаемым способом термообра-, ботки упрочняются только те зоны (участки) детали, в которых действующие напряжения при предельных нагрузках превышают допускаемые напряжения материала с исходной структурой, Формы и размеры этих зон, а также точки максимальных напряжений и оптимальные глубины упрочняемых слоев для каждой зоны определяют при расчете детали на прочность. На фиг. 4 и 5 даны графики двухвариантов термической обработки предлагаемым способом, где участок кривой 1,2 - нагрев до температуры.закалки при предварительной упрочняющей термообработке," участок 2, 3 -выдержка между концами нагрева и началом охлаждения; 3,4 - охлаждениеиэделия 4,5 " выдержка между концом охлаждения и началом нагрева1под отпуск;, 5,6 - нагрев закален"ного слоя До температуры отпуска,На фиг, 4 участок 6,7 - выдержкамежду концом нагрева и началом охлаждения; 7,8 - охлаждение до температуры окружающей среды; 9,1 О - на-.грев под поверхностную закалку;10, 11 - выдержка между концом нагрева и началом охлаждения; 11, 12охлаждение изделия; 12, 13 - ньщержка между концом охлалщения и началом нагрена под низкий отпуск; 3,14 - нагрев под низкий отпуск; 14,15 - охлаждение до температуры окружающей середы,На фиг. 5 участок: 6,7 - выдержкамежду концом нагрева под отпуск при".зоптимальную глубину нагрева под предварительную упрочняюцую термообработку, а из соотношения(Н-Н ) КЯ с- оптимальную глубину слоя поповерхностной закалки. Режим термической обработки для каждой операции назначают на основании нормативных материалов, Заданную 40 глубину нагрева до требуемой температуры получают путем подвода к ин . дуктору соответствующей мощности иМ путем дозирования с помощью реле времени индуктируемой в изделие энергии. Термообработку осуществляют в последовательности изображенной на фиг. 4 или 5.П р и м е р. Способ был опробован на образцах для испытаний на усталость, изготовленных из стали 40 Х.Общая длина образца составляла 310 мм длина рабочей части - 25 мм, диаметр рабочей части 20 мм. Концы образца, зажимаюциеся в цанги испытательного стенда имели диаметр 30 мм. Нагрев рабочей части образца под термообработку осуществляли одновременчым предварительной термообработке и началом нагрева под поверхностную ;-а- калку; 7,8 - нагрев под поверхностную закалку; 8,9 - выдержка между концом нагрева и началом охлаждения;9,10 - охлаждение изделия; 1 О, 11 выдержка между концом охлаждения и началом нагрева под низкий отпуск;11,12 - нагрев под низкий отпуск;12, 3 - охлаждение до температуры окружающей среды. Длительность каждой выдержки (фиг 4 и 5 участки 2-3, 4-5,6-7, 8-9, 10-11, 12-13) в каждом конкретном случае зависит от принятой технологии и конструктив ных возможностей оборудования, на котором осуществляется термообработка иэделий.Способ осуществляется следующим образом. 2 ОВ зависимости от марки стали, условий работы детали и на основании нормативных материалов заранее задаются значениями твердости упрочняемых слоев и сердцевины (для слоя., 25 предварительно упрочняемого термообработкой, твердость задают обыччо в пределах 35-50 БкС), Затем иэ 673 8методом в кольцевом индукторе - спрейе -ре высотой 60 тф. током 8000 Гц.Термообработка производилась в последовательности, изображенной на фиг,5. Для доказательства полезностиприменения .данного способа былитермообработаны О шт указанных об-,разцов известным способом и 1 О штпредлагаемым,Объемный нагрев образцов при пред- -варительной обработке известным способом, а также низкий отпуск послеповерхностной закалки в известном ипредлагаемом способах осуществлялив шахтной электропечи, а охлаждение - в воде, Поверхностную закалку в известном способе проводилина том же оборудовании. что и впредлагаемом.Режимы термообработки тем и другим способом указаны в табл, 1,Результаты термообработки и усталостных испытаний образцов даны втабл, 2.Испытания проводились на гладкихобразцах при изгибе с вращением намашине УИМПна базе 5 млн,циклов.Из табл, 2 видно, что усталостнаяпрочность в предлагаемом способе повысилась до 87 кг/мм по сравнениюс 72 кг/мм в известном.гУвеличение усталостной прочностиобразцов, термообработанных предлагаемым способом, связано с болеерациональным распределением твердости в наиболее напряженном сеченииобразца и наличием дополнительныхостаточных напряжений сжатия в предварительно упрочнм:ном слое.Для сравнения в табл. 3 приведены результаты измерений деформацийшес ерен (диаметр 20 мм, модульб мм ширина венце - 30 мм), изготовленных иэ стали 45 Х и термообра-,ботанных по оптнмальчым режимам известным и предлагаемым способами. Иэ табл. 3 видно, что детали термообработанные известным способом, имеют большие отклонения отноминальных размеров, чем детали, термообработанные предлагаемым способом. Нестерни, термообработанныепредлагаемым способом, соответствуютнормам 7-8 кл . тонн"сти. Для получения шестерен такой л;е точности притермообработке иэве тным способомнеобходима дополнительная механическая обработка для исправления дефор. 1 7667 ) 10 Таблица 1 Т8 ремянагре ва,Спосо термо Потребляемаяот генератора мощность емператуа нагрева,обр от Предварительная уптермообработка приностном нагреве чняющаяоверх 43 0 43 П закалка лагаемый 380 2 пуск 15 0,01 О оверхностная закалк Ие тпус естй 50 анка 6 50 тп с 0 1)16 1 оверхностная закалк 18 Отпуск мяции после термообработки, что повыщяет стоимость изготовления п)естерен,Предлагаемым способом можно упроч нять оси, валы, втулки, гильзы, зуб чатые колеса.и т.д., причем способ позволяет изготавливать эти детали иэ более дешевых сталей, не снижая при этсм их срок службы. Формула изобретения Способ термической обработки из" делий преимущественно из среднеугле родистых низколегированных сталей, включающий предварительную упрочняющую обработку, поверхностную закалку и отпуск, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыщения усталост ной прочности и качества иэделия за счет сохранения его геометрических Операции термообработк Предварительная упрочняющая термообработка приобъемном нагреве размеров, предварительную упрочняю 11 ую обработку осуществляют путем поверхностного нагрева ня глубину Н -1Ш ( угде К - расстояние от центра тяжести сечения до точки на внешнем контуре сечения, для которой определяют глубиныупрочняемых слоев;Н 1 - твердость сердцевины иэделия;11 - твердость слоя, получаемогопосле поверхностной закалкии отпуска, а поверхностнуюзакалку проводят на глубину 112 1 а 28:1).- - - Нэт 1 ардов т ь слоя упрочняемо го предварительной обработкой,Толщи- вердость, Толщинана слоя, НКС слоя,Предлагаемый 5,8-6,0 48-50 8 4-26 2,0 59-6 вест 7 0 8-2,0 59-6 а б л и ц а 3 азмеров от номинального значения, мк ас о звес 23 98 76 7 5 2 3 0 115 3 Пред- лагае б 5 22 4 ч 0 5 3 9 2 4 7 4 2 10 4 8 Способтермо -обра -ботки Слой, упрочняемыйпредварительнойтермообработкой Слой, полученныйпосле поверхностной закалки и отТвердостьсердцевины, НКС Пределусталостикгс/мм1276673 Фиа Составитель А. Кулеминедолуженко Текред Л.Сердюкова Ко ор А, Тяско то Заказ 6 8/21 Тираж 552ВН 1 ПП 1 И Государственного комитета ССпо делам изобретений и открытий113035, Москва Б, Раушская наб. Подписное кое и Производственно-полиг риятие. г. Ужгород, ул. П