Главная  Высокочастотная термическая обработка 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [ 21 ] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]


600 t,c

Рис. 4.2, Кривне роста температуры при сквозном

индукционном нагреве [43]:

А - уокоренный метод; Б - обычный метод; (д - температура поверхности; <ц - температура центра; Д(ов ~ перепад температуры по сечеиню; А/уск ~ разность температур поверхности и центра

слоев до температуры закалки с последующим прогревом сечения при постоянной температуре поверхности. Такой метод нагрева, как наиболее целесообразный, впервые был рекомендован для закалки изделий из легированной стали, в частности стали карбидного класса. Теоретическое обоснование он получил при разработке С. А. Яицковым процессов ускоренного нагрева заготовок для ковки [91.

На рис. 4.2 приведены кинетические кривые нагрева двумя способами: обычным - с постоянным напряжением на индукторе и ускоренным - с постоянной температурой поверхности. Сравнение кривых показывает, что общее время нагрева при ускоренном методе может быть сокращено в 2-2,5 раза. Суммарное время аустенитизации также сокращается, однако это не вызывает необходимости дополнительного повышения температуры нагрева, так как время пребывания при максимальной температуре становится больше, чем при обычном нагреве.

Недостатками ускоренного нагрева являются усложнение процесса, ограничение универсальности нагревательной установки, а,также более длительное пребывание поверхности заготовки в области высоких температур, что может привести к возникновению на поверхности заметной окалины и к обезуглероживанию поверхностных слоев металла.

Для получения максимально однородной структуры закалки по сечению обрабатываемых заготовок, а также минимальных внутренних напряжений в заготовке процесс нагрева необходимо осуществлять с минимальным перепадом температуры по сечению на всех уровнях температуры. Такие требования предъявляются прежде всего к нагреву высоколегированных сталей и сплавов.

С этих позиций наименее благоприятными являются условия ускоренного нагрева, при котором в начальный период перепад температуры по сечению заготовки может достигать нескольких сотен градусов (рис. 4.2). Лучшие условия создаются при обычном методе нагрева с постоянным напряжением на индукторе.

Дальнейшее уменьшение перепада температуры по сечению заготовки достигается применением ступенчатого нагрева. При этом методе индукционный нагрев периодически прерывается, образуя паузы, в течение которых теплота распространяется в глубь заготовки. Длительностью периодов нагрева и пауз можно регулировать уровень перепада температуры по сечению, добиваясь минимального перепада к концу нагрева.

Разновидностью ступенчатого нагрева является метод, предложенный в работе [17], при котором нагрев ведут с большой скоростью и на каждой ступени которого температура поверхности достигает максимальной. Метод предложен для нагрева заготовок под пластическую деформацию, но в не меньшей степени он применим к условиям термической обработки, при которой конечная температура нагрева намного ниже.

При одновременном (методическом) нагреве ступенчатый метод осуществляется соответствующей системой автоматизации электрического режима нагревателя. При непрерывно-последовательном нагреве это достигается применением определенной конструкции нагревателей, имеющей несколько блоков индукторов, между которыми размещены транспортные устройства (например, ролики). Такие нагреватели применяются и при нагреве под закалку нелегированных и малолегированных сталей, когда требуется большая производительность нагревателя. При ступенчатом методе нагрева увеличивается общая длительность процесса: сохраняется время собственно активного нагрева и добавляется суммарное время пауз. Это приводит или к снижению производительности оборудования, или к увеличению его габаритных размеров.

Делесообразность применения того или иного метода объемного индукционного нагрева - обычного, ускоренного или ступенчатого - определяется в каждом конкретном случае.

Несмотря на относительно малые скорости нагрева, общая продолжительность объемного высокочастотного нагрева оказывается все же значительно меньшей, чем при нагреве косвенным методом в газовых или электрических печах. В результате уменьшаются угар металла и обезуглероживание поверхности, повышается производительность труда, облегчается автоматизация процесса.

При непрерывно-последовательной закалке длинных прутков или сортового проката, а также труб легко осуществляется душевое охлаждение большой интенсивности, которое позволяет увеличить прокаливаемость стали. Из графика, приведенного на рис. 4.3,видно, что у заготовок из стали 45,~характеризующейся большой* критической скоростью охлаждения и, следовательно,



D.MM

Водяной душ

ый dj/ш

5% -ный расг fpNaOH ббоЪ

яная

<Иас

пяиая бон

-1-Г

вравнительно малой прокаливаемостью, толщина слоя, закаленного на мартенсит, при охлаждении водяным душем может в 1,8- 2 раза превышать глубину закалки, получаемую при охлаждении погружением в водяную ванну. При этом общая глубина прокаливаемости увеличивается в 1,3- 1,5 раза. Из табл. 4.1 видно, что применение нагрева и интенсивного душевого охлаждения позволяет получить значительную прокаливаемость даже у нелегированных малоуглеродистых сталей. При этом диаметр заготовок Омарт, при котором образуется мартенсит по всему сечению, может достигать нескольких миллиметров.

Структура стали после высокочастотной закалки характеризуется тонкостью строения и однородностью по сечению. На получение тонкой структуры мартенсита положительное влияние оказывают быстрый нагрев и короткое время пребывания металла в области температур аустенитизации. Индукционный метод обеспечивает получение мелкозернистой структуры ауетенита. Душевое охлаждение после закалки фиксирует мелкое зерно и структуру мелкоигольчатого мартенсита. При этом мартенсит приобретает повышенную твердость, связанную главным образом с тем, что при интенсивном охлаждении время прохождения за-

Таблица 4.1

Критические скорости охлаждения „р и критические размеры образцов различных сталей при душевом охлаждении после иидукционного иагрева [22]

5 10 20 50 100 200 50010002000 О1.,„-10\Вт/(м-°С)

Рис. 4.3. Зависимость критических диаметров Омарт и Окр образцов ив стали 45 от охлаждающей способности различных сред и способов охлаждения

Марка сталн

"кр. "С/с

март

март

1000

2,0-2,3

3,5-4,0

6,0-7,0

10,5-12,5

2,8-3,2

4,8-5,2

8,5-9,5

14,5-15,5

3,3-4,0

6,0-6,5

10,0-12,0

18,0-19,5

5,0-5,5

8,5-9,0

15,0-16,5

25,5-27,5

5,5-6,0

9,5-10,0

16,5-18,0

28,5-30,0

При образца.

м е ч а н н е.

кр - половина толщины пластины; £*март

- диаметр

каленной структуры через интервал температур отпуска мало, и поэтому распад мартенсита в вЕ1деленнем углерода в значительной мере предотвращается. Ниже на конкретных примерах показаны особенности применения объемной высокочастотной термической обработки в металлургическом производстве.

Качественные результаты объемной высокочастотной закалки в значительной степени зависят от размеров закаливаемых заготовок. При размерах, не превышающих критического диаметра Dkp. может быть обеспечена сквозная закалка с мартенситной структурой в поверхностных слоях и со структурой, содержащей не менее 50% мартенсита, в центре. При размерах заготовок, больших Dkp, сквозной закалки получить нельзя, и целесообразность сквозного высокочастотного нагрева таких заготовок определяется необходимым комплексом свойств изделия. Если сечение заготовки больше 10 критических диаметров - ЮОкр, то глубина закаленного слоя при сквозном нагреве не превышает О.Шкр. В таких случаях следует применять несквозной нагрев, при котором скорость охлаждения поверхностных слоев увеличивается из-за отсутствия теплового подпора из сердцевины. Исследования показали, что, прогревая заготовку на глубину, равную 1,25-1,5 глубины прокаливаемости, определенной при сквозном прогреве, глубину закаленной зоны можно дополнительно увеличить на 20-25%.

При выборе того или иного вида нагрева - сквозного или несквозного - необходимо учитывать, что при несквозном нагреве термической обработке будет подвергаться только нагретый слой и свойства сердцевины останутся без изменения. При сквозном нагреве сердцевина проходит двойную перекристаллизацию при нагреве и охлаждении и свойства ее изменяются. Свойства сердцевины будут зависеть от размеров сечения и состава стали. На практике перед выбором технологии целесообразно произвести -Исследование механических свойств после термической обработки со сквозным и несквозным нагревом и установить их соответствие техническим требованиям.

Основные положения по выбору режима сквозного высокочастотного нагрева для закалки могут быть использованы также при проведении нормализации и отжига заготовок.

В настоящее время накоплен значительный опыт по использованию быстрого высокочастотного отпуска. Вопреки тому, что при нагреве в печах обязательными являются длительные выдержки в области температур отпуска, при высокочастотном нагреве оказывается возможным получение высоких механических свойств после отпуска, длительность которого весьма мала. Как будет показано ниже, это достигается некоторым повышением температуры отпуска по сравнению с нагревом в печах, которое зависит от уровня требуемых механических свойств.

На рнс. 4.4 приведен график, характеризующий продолжительность сквозного нагрева цилиндрических заготовок различ-



ного диаметра до температур вшеокоро отпуека (600-650 °С) при частоте тока 2,5 кГц. Приведенная зависимость получена приближенным тепловым расчетом при перепаде температур Д/ S3 - = 50°. Так как максимальная температура нагрева при отпуске всегда ниже температуры магнитных превращений, глубина проникновения ТВЧ очень мала, и по существу производится не глубинный, а поверхностный нагрев, даже при токе звукового диапазона частот. Поэтому график, рассчитанный для частоты 2500 Гц, оказывается приближенно справедливым для широкого диапазона частот, практически используемых при сквозной термической обработке заготовок.

Сопоставление графиков, приведенных на рис. 4.1 и 4.4, показывает, что при одинаковом перепаде температур по сечению нагрев до температуры отпуска происходит медленнее, чем под сквозную закалку. Кроме того, на рис. 4.4 дано только время, минимально необходимое для сквозного нагрева, которое может быть недостаточным для завершения фазовых превращений. Распад мартенсита при больших скоростях нагрева смещается в область более высоких температур и может совпадать с началом рекристаллизационных процессов и коагуляции карбидов, что приводит к получению структур, несколько отличных от полученных при обычном отпуске. При отпуске на одинаковую твердость структура металла, полученная при быстром нагреве, характеризуется более мелкими карбидными выделениями и равномерным их распределением и обладает повышенной пластичностью и ударной вязкостью. Получение такой структуры связано с тем, что выделение зародышей карбидов при быстром нагреве начинается при высокой температуре, когда создаются благоприятные условия для возникновения большого числа зародышей. Коагуляция этих зародышей при последующем повышении температуры нагрева происходит медленнее, чем рост зародышей, возникших при дальнейшем распаде мартенсита.

>

5 10 15 20 25 В.т

Рис. 4.4. Продолжительность сквозного индукционного нагрева прн отпуске

т 600 500 400 HV

Рис. 4.5. Ударная вязкость стали 48 X:

/ - после обычной закалки и отпуска; 2 - после обычной закалки и электроотпуска при с = 5 °С/с; 3 - электрозкалка и электроотпуск при и = 5 °С/с [106 1

Отсутствие выдержки при конечной температуре отпуска тормозит развитие процесса коагуляции. Рекриеталлизационные процессы, обусловленные в первую очередь фазовым наклепом при распаде мартенсита, завершаются в достаточной мере, что обеспечивает высокую пластичность ферритной оеновы.

Структура и евойетва, получаемые после высокочастотного отпуска закаленной етали, в значительной етепени зависят от температуры отпуека и времени нагрева. Выбор режима отпуска должен быть таким, чтобы условия нагрева по сечению обрабатываемого изделия были приблизительно одинаковы. Однако добиваться полной равномерности твердости по сечению заготовок нецелесообразно: полученная неравномерность должна только укладываться в допуски, оговоренные техническими условиями.

Влияние отпуска на механические свойства углеродистой и низколегированной етали подробно рассмотрено на примере термической обработки арматурной стали (см. п. 6.8).

При отпуске легированной стали выявляются некоторые особенности в протекании фазовых превращений, оказывающие влияние на ее ударную вязкость [33]. Применение быстрого иагрева при высоком отпуске подавляет развитие процессов, вызывающих хрупкость. На рис. 4.5 приведены значения ударной вязкости стали 48Х после обычного отпуска и электроотпуска при разных значениях твердости. Кривые ударной вязкости стали, отпущенной при электронагреве со скоростью 5 °С/с, располагаются выше кривой обычного отпуска. Особенно это заметно при отпуске стали, закаленной при электронагреве. Применение больших скоростей нагрева позволяет еще в большей мере ослабить отпускную хрупкость. По-видимому, при кратковременном нагреве подавляются процессы выделения твердых фаз по границам зерен ферритной основы.

При улучшении, т. е. закалке с высоким отпуском, не всегда и не у всех марок стали удается получить при ускоренном нагреве заданное сочетание механических свойств.

Для получения высокой пластичности, даже при медленном печном нагреве, температура отпуска должна быть близка к температуре начала образования аустенита (точка Л). Ускорение нагрева требует повышения температуры нагрева, однако оно может оказаться невозможным так как возникает опасность начала аустенитного превращения, т. е. полной ликвидации структур закаленной и отпущенной стали. В этом случае целесообразно использовать комбинированный способ нагрева: высокочастотный метод применять на начальной стадии нагрева до температуры отпуска, а затем изделие перемещать в муфель для поддержания в течение некоторого времени постоянной температуры, так как применение очень медленного высокочастотного нагрева экономически и технически невыгодно.

Во ВЦИИ ТВЧ накоплен большой материал по влиянию объемной высокочастотной закалки на механические свойства



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [ 21 ] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

0.0008