7 V,c

Рис. 1.2. Термические кривые, полученные при регулировании скорости высокочастотного нагрева: а - Сф - постоянна; б - нагрев с изотермической выдержкой [42]

Когда температура поверхностного слоя металла достигнет точки Кюри, магнитная проницаемость его станет близкой к единице; количество теплоты, выделяющейся в этом слое, уменьшится и повышение температуры замедлится. Значительная часть энер-

Габлица 1.6

Глубина проникновения тока в металл при разных частотах

Рнс. 1.3. Распределение температуры по сечеиию х нагреваемого цилиндра

ГНИ будет выделяться в более глубоких слоях, еще обладающих ферромагнитными свойствами. Глубина проникновения тока увеличивается, и кривая 2 распределения температуры по сечению искажается. Глубина проникновения тока будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет значения, при котором почти вся подводимая энергия будет поглощаться в горячем неферромагнитном слое. Такая глубина обычно называется горячей глубиной проникновения тока в металл Ак и для стали она в несколько раз больше холодной глубины проникновения тока А (табл, 1.6).

Рис. 1.4. Распределение температуры по сечению изделия

l&k нан конечное распределение тем-ператуЬн уетанавливаетея за определенный промежуток времени, часть тепло->зой энергии за счет теплопроводности будет отводиться в глубь изделия. Чем быстрее нагрев, тем меньше влияние .актора теплопроводности и тем более резким будет спадание температуры за горячим елоем; однако перепад температуры в пределах слоя, нагретого выше гочки Кюри, также будет в этом елучае увеличиваться.

При нагреве на рлубину, близкую к глубине проникновения тока в горячий металл Д„ или меньшую, полностью используется особенность индукционного метода - глубинный нагрев, т. е. нагрев непосредственным генерированием теплоты в слое заданной толщины. При пл1реве на глубину, значительно

1!ревышающую ;Л„, характер аагреса будет приближаться к поверх-местному, и нужная Tfwneparvoa на заданной глубине может мыть достигнута лишь за счет ге.члопроводности.

При поверхностном нагреве перепад температур в пределах нагретого слоя большой и гемпе{)атура поверхности ,ак может значите 1ьно преаышать тем1:орйтуру isa границе нагреваемого ллоя (кривая /, рис, 1.4). К.К ov.er iioKasaHo ниже, те.мпературу ""иверхисоги утО/К«о счъишг,:, н:пь. ;;о о;;р;;.аслепного предела. \.1Ч умкньсиеийч .!»;р.1.ада iiiuparypu по сечению нагретого слоя при поеорхностном а:п реве екоросгь иагрева приходится снижать, чго приБО,;(ит к переносу значительного количества теплоты в сер)дцевнну изделия. При поверхностной закалке такой процесс энергетически невыгоден, гак как количество полезно расходуе.мой !еилогы уменьшается. При глуОником (кривая 2) и сквозном г-.агреве не./бходим b.virJiiio тако,": процесс, 1три котором к концу нагрева достигается минимальный перепад температуры по сечению.

Глубина проникновения гока в металл зависит от частоты тока (табл. 1.6). При нагреве током звуковой частоты горячая глубина проникновения тока составляет несколько миллиметров. В этом случае поверхностная закалка всегда осуществляется на глубину, меньшую чем глубина проникновения тока в металл, так как глубину закалки лимитирует прокаливаемость стали. Ток радиочастоты (глубина проникновения которого мала) целесообразно применять только при поверхностной закалке на глубину не более 1,5 мм. :

Для закалки большинства конструкционных и инструментальных вталей нагрев ведется со значитель1шм п£евщ12адйу; темпе-

( /1 Г С Г 9 i Г "«--«ях-и

ратуры точки Кюри, причем нужная температура должн бнггь достигнута на определенной глубине. Однако применение кратковременных нагревов затруднительно, так как приводит к бс/льшому перепаду температуры в пределах нагретого слоя. Поэтому скорость нагрева приходится уменьшать, и передача знач{угельного количества теплоты в глубь изделия за счет теплопроводности становится неизбежной. В таких случаях 60-80% энергии расходуется непроизводительно: на нагрев сердцевины издеДшя [181.

При сквозном нагреве, как уже отмечалось, значительная доля теплоты передается изделию путем теплопроводности из поверхностных слоев, где теплота генерируется индукционным методом. С увеличением размеров изделия процесс теплопередачи от поверхностных слоев к сердцевине приобретает все большее значение; относительная доля объема, в которой генерируется теплота, становится меньше и уменьшается роль частоты тока. Однако сохраняется общая закономерность, согласно которой с увеличением размеров нагреваемой заготовки необходимо увеличивать глубину проникновения тока и, следовательно, понижать частоту тока.

При поверхностной закалке изделий сложной формы трудно достичь равномерности нагрева не только вследствие трудностей в обеспечении нужного распределения генерируемой теплоты, но и из-за различных условий теплоотвода в холодную массу изделия. Особенно это ощутимо при нагреве поверхности с впадинами и выступами или переходами с галтелью. В галтелях происходит интенсивный отвод теплоты в глубь изделия, и для получения равномерной температуры поверхности в этих зонах необходимо концентрировать значительные удельные мощности по сравнению с ровными участками поверхности. Равномерной температуры можно также достигнуть предельно кратковременным нагревом, при котором теплоотдача предотвращается за счет теплопроводности в глубь изделия.

1.4. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ БЫСТРОМ НАГРЕВЕ

На рис. 1.5 приведен участок диаграммы состояния сплавов железо - углерод. Критические точки диаграммы соответствуют температурам превращений, протекающих в условиях медленного нагрева и охлаждения. Пользуясь данными диаграммы, устанавливают температуру нагрева при обычной термической обработке стали, в частности при закалке. В условиях быстрого нагрева без изотермической выдержки, свойственного высокочастотному методу, диаграмма равновесия дает только ориентировочные сведения, поэтому при выборе температуры нагрева приходится вносить коррективы, и часто довольно существенные.

Рис. 1.5. Диаграмма состояния системы сплавов железо-углерод

0,4 0,8 1,1 1,6

Содержание угперода, %

Влияние скорости нагрева на кинетику превращения перлита

в аустенит. Журнал технической физики АН СССР в 1950 г. начал дискуссию о кинетике превращения перлита в аустенит [7, 201. На основании материалов дискуссии, а также последующих исследований [9, 25, 39] можно дать наиболее вероятное представление о протекании процесса превращения перлита в аустенит при повышенных скоростях нагрева. Превращение перлита в аустенит, которое при медленном нагреве в чистых сплавах железо - углерод согласно диаграмме, приведенной на рис. 1.5, происходит при температуре 727 °С (критическая точка Ас), определяется тем, что в этой точке свободная энергия аустенита становится меньше свободной энергии перлита.

Механизм превращения состоит в том, что по границам между ферритом и цементитом образуются участки, а затем слои аустенита. Содержание углерода в этих слоях различно; на границе с цементитом более высокое, а на границе с ферритом более низкое. Превращение идет за счет диффузии углерода в аустенитном слое от пластины или зерен цементита к пластинам или участкам феррита. Кинетика превращения связана со скоростью выравнивания концентрации углерода по всему объему. На скорость выравнивания концентрации оказывают влияние следующие факторы: разность концентраций углерода на границах цементита и феррита; скорость диффузии и пути диффузии, т. е. дисперсность структуры.

В области температур, близких к равновесному ооложению критической точки А-,, наибольшее влияние на скорость перлитно-

аустенитного превращения оказывает разность концентраций углерода в пределах аустенитной прослойки между участками/цементита и феррита. Чем выше температура, тем больше разность концентраций Сц - Сф (рис. 1.5) и тем быстрее завершаемся процесс. Другим фактором, способствующим ускорению превоащения, является увеличение коэффициента диффузии при порышении температуры. Однако влияние этого фактора оказывается существенным только при значительном повышении температуры.

Продолжительность превращения перлита в аустенит может быть приближенно рассчитана на основе законов диффузии [91-Если допустить, что продолжительность превращения определяется скоростью перемещения атомов углерода в решетке гамма-железа, то время изотермического превращения можно подсчитать, используя второе уравнение Фика,

= п JlL

где с - концентрация углерода; т - время; х - расстояние для диффузии углерода; - коэффициент диффузии.

Для условий перлитно-аустенитного превращения при температуре несколько выше А, когда концентрация углерода в аустените меняется от О до 0,8% , среднее значение коэффициента диффузии (cmVc) может быть принято таким:

При расчете определялось время, необходимое для достижения в центре ферритного участка перлита средней концентрации углерода в стали, т. е. 0,8%. Поскольку насыщение ферритного промежутка углеродом происходит с двух сторон, можно принять, что за счет проникновения углерода с одной стороны ферритного участка концентрация углерода в его центре должна достигнуть 0,4%. Расчеты показывают, что для межпластиночного расстояния б, равного 0,7 мкм, продолжительность выравнивания концентрации углерода составит приблизительно 0,1 с.

Примерно такие же результаты получены при приближенном расчете, предполагающем, что главным фактором, влияющим на скорость процесса, является разность концентраций углерода на границах аустенитной прослойки Сц - Сф [19, 20]. В этом случае продолжительность диффузионного распределения углерода -р выразится зависимостью

Сэвт

где Сэвт - содержание углерода в перлите; б - толщина зоны феррита (межпластиночное расстояние); h - толщина прослойки ауетенита.

Расчеты показывают, что для мелкопластинчатого перлита с 6 = 0,5 мкм при Aci - Ai, равном 10 °С, продолжительность

превращения равна примерно 0,2 с. Таким образом, превращение перлита в аустенит по своей природе является быстропротека-ющим процессом.

Расчеты также показывают, что продолжительность превращения зависит от дисперсности структуры, т. е. от величины необходимых путей диффузии углерода, а также от формы цемен-титных включений. Так, длительность превращения крупнопластинчатого перлита (6 = 1,0 мкм) составляет при тех же условиях около 0,8 с, т. е. в 4 раза больше, чем мелкопластинчатого. Превращение в аустенит зернистого перлита с относительно малой развитой поверхностью сфероидального цементита происходит еще медленнее. Наоборот, превращение сорбита отпуска, в структуре которого диаметр частиц цементита не превышает 0,02- 0,03 мкм, завершается в течение 0,01-0,02 с.

Перлитно-аустенитное превращение идет эндотермически с поглощением теплоты в количестве около 80 Дж/г. Для того чтобы процесс шел с теоретически возможной скоростью, т. е. завершился в теоретически определенное время, надо за этот промежуток времени обеспечить процесс необходимым количеством тепловой энергии. Следовательно, кинетика процесса зависит не только от структуры и свойств сплава, но и от условий и способа нагрева.

При нагреве внешним источником энергии интенсивность передачи металлу теплоты определяется коэффициентом теплоотдачи, который сравнительно невелик: 600-700 Вт/(м°С) для жидкой соляной ванны и 230-250 Вт/(м-°С) для электропечи 137]. В этих условиях даже для очень тонких пластин, у которых отношение площади поверхности к массе велико, не удается быстро передать необходимое для превращения количество энергии и обеспечить теоретически возможную скорость превращения. Для реальных изделий время нагрева исчисляется несколькими минутами и даже часами. В изделие передается удельная тепловая мощность, недостаточная для обеспечения теоретической скорости превращения, и процесс искусственно тормозится. Создается впечатление медленного протекания процесса, якобы свойственного перлитно-аустенитному превращению. В действительности же это обуславливается чисто внешними факторами обеспечения энергией. - .

Подобные данные можно встретить как в научной литературе, так и в учебниках. Приводятся, например, кинетические диаграммы, из которых вытекает, что при температуре 730 °С превращение перлита в аустенит начинается только через 4 мин, а заканчивается через 20 мин [14, 33]. Обычно такие диаграммы строятся на основе экспериментов, проведенных с использованием внешнего нагрева стальных пластин, при этом не учитывается время нагрева образцов до температуры среды. Создается-искаженное представление о кинетике процесса. В действительности само превращение обязательно идет при температуре, которая