60 0 20 О

Рнс. 6.21. Ударная вязкость закаленной ТВЧ арматуры нз стали 35ГС в зависимости от температуры отпуска:

I " до старения; 2 - после старения

-90 -70 -50 -30 -10+10 t°C

Рнс. 6.22. Ударная вязкость стали 35ГС прн различной температуре испытания:

1 - высокочастотное улучшение;

2 - без термической обработки

мерно 60% сечения при отпуске в интервале температур 470- 530 °С, получены значения = 1050-v-llOO Н/мм*, а = 820-т--г-900 Н/мм* при бв = 8-г-10%, которые отвечают требованиям и арматуре класса At-V. Большими преимуществами несквозной обработки являются существенная экономия электроэнергии, а также отсутствие трещин при закалке высокоуглеродистой стали 65Г, которых при сквозной закалке полностью избежать не удается.

Относительно большее повышение механических свойств достигнуто при высокочастотной сквозной и поверхностной обработке углеродистой стали Ст4, и особенно Ст5. При высокочастотной закалке этих сталей значительную, а возможно решающую, роль играет равномерное и резкое охлаждение душем. Если для низколегированных сталей 35ГС и 30ХГ2С даже охлаждение в воде погружением приводит практически к сквозной закалке арматуры диаметром до 20 мм, то для углеродистой стали Ст5, и особенно Ст4, полная закалка таких сечений при охлаждении в воде погружением невозможна. Вследствие этого в сердцевине появляются в больших количествах, вплоть до 100%, продукты немартенситного превращения. При высокочастотной обработке возможно получение полной или почти полной закалки (50% мартенсита) в сечениях, гораздо больших чем при других методах закалки.

На стержнях диаметром 14 и 12 мм из стали Ст5 после высокочастотной закалки и отпуска получены значения = 1050-7--г-1200 Н/мм*, ао,а = 800-7-1000 Н/мм* при = 10-7-13%. Стержни диаметром 14 и 12 мм после высокочастотной обработки удовлетворяют требованиям класса прочности At-V при условии отпуска при 400-4Ю °0. для плавок о содержанием углерода на нижнем

пределе и отпуска при SOU-630 "Х: для плавок о содерЖайМ«к

углерода в стали на верхйем пределе. Относительное удлинение и угол загиба во всех случаях выше нормй. У углеродистой стали, как и у легированной, после высокочастотной термической обработки получены высокие значения ударной вязкости при пониженных температурах.

Существенное повышение общей прочности получено при несквозной закалке арматуры из стали Ст4сп.

Лучший результат получен при закалке 50% сечения стержня. Временное сопротивление, определенное путем разрыва натурного образца, достигает 700 Н/мм*, условный предел текучести - 500 Н/мм* при относительном удлинении около 10%. Полученные свойства отвечают классу прочности А-1П. Предел текучести сечения при иесквозной закалке увеличивается в 2 раза.

Арматура из упрочненной при помощи высокочастотной обработки стали Ст5 была испытана в железобетонных плитах. При этом прутки диаметром 12 мм из упрочненной стали вполне заменяют прутки диаметром 14 мм из сырой, термически не обработанной стали, что ведет к экономии металла около 30%.

Расход энергии при высокочастотной обработке арматуры может быть существенно уменьшен при использовании остаточной теплоты после прокатки. В этом случае нагрев под закалку следует начинать при температуре прутков 500-600 °С. Современные методы контроля температуры и автоматизации позволяют осуществить этот процесс в промышленных масштабах.

Опыт эксплуатации железобетонных конструкций с термически упрочненной арматурой (закалка с использованием прокатной теплоты) показал, что термически упрочненная арматура в напряженном состоянии обладает пониженной стойкостью против атмосферной коррозии. Для повышения коррозионной стойкости ВНИИТВЧ совместно с ВНИИжелезобетоиа освоили на Макеевском металлургическом заводе поверхностный высокочастотный отпускГ Нагрев током 10 кГц осуществляется иа глубину 0,5- 1,0 мм до температуры, не превышающей Асу. Время нагрева - доли секунды. В результате такого отпуска несколько снижается прочность, не выходя иа нижний предел для данного класса арматуры. Относительное равномерное удлинение возрастает в 1,5- 2 раза. Стойкость протйа коррозии приближается к стойкости термически не обработанной стали.

Сортовой прокат. Объем промышленного внедрения высокочастотной термической обработки проката и области его применения достаточно и подробно освещены в работе [43]. Наибольшее распространение находят; рекристаллизационный отжиг; отжиг инструментальной и шарикоподшипниковой сталей на зернистый церлит; циклическая термическая обрйЙотка; нормализация, закалка и ртпурк автоматных сталей; высокотемпературная термическая обработка аустенитно-мартенснтных и аустенитных дисцерснонно-тверДеющих сталей. Здесь рассмотрены некоторые

процессы, наиболее типичнйЬ для высокочастотного метода термической обработки.

При калибровке прутков из стали типа ШХ15 и ШХ15СГ степень деформации, равномерная по всему сечению прутка, не превышает 15%. По технологической инструкции Златоустовского металлургического заюда (ЗМЗ) рекристаллизационный отжиг прутков при такой степени деформации должен осуществляться в камерных термических печах в стальных трубах из коррозионно-стойкой стали, что связано с большой затратой ручного труда и расходом легированной стали.

Эксперименты, проведенные во ВНИИТВЧ, показали, что для этой цели целесообразно применение индукционного нагрева. Оптимальной температурой отжига при этом является температура 750-780 °С, т. е. температура, близкая к температуре потери сталью ферромагнитных свойств (точка Кюри). При правильном выборе частоты тока в зависимости от диаметра прутка в процессе нагрева температура самопроизвольно стабилизируется вблизи точки Кюри и при этой температуре легко осуществляется изотермическая выдержка. При использовании частоты тока, отличной от оптимальной для данного диаметра прутка, изотермическая выдержка может быть обеспечена путем регулирования подводимой мощности. На основании полученных данных, а также по результатам экспериментов на ЗМЗ [43] установлен режим отжига прутков: скорость нагрева 10-20 °С/с; температура изотермической выдержки 780-800 °С в течение 80-150 с; охлаждение на воздухе.

Во ВНИИТВЧ разработано и внедрено на металлургических заводах несколько типов установок для рекристаллизационного отжига калиброванной шарикоподшипниковой стали. Имеются собственные заводские разработки. На базе этих печей ВНИИТВЧ разработана модернизированная индукционная двух-ручьевая печь ИТ-1500/8, предназначенная как для рекристаллизационного отжига калиброванной шарикоподшипниковой стали, так и для других видов термической обработки. Каждый ручей состоит из загрузочного стеллажа, комплекта индукторов (до 10 шт.), охлаждающей системы. Схема питания индукторов током высокой частоты (8 кГц) позволяет устанавливать различные режимы нагрева по заданной кинетике нагрева. При рекристаллизационном отжиге шарикоподшипниковой стали максимальная мощность подается в первые два индуктора, при прохождении которых достигается температура, близкая к заданной. При проходе остальных индукторов поддерживается температура изотермической выдержки. В табл. 6.5 приведена кинетика нагрева прутков различного диаметра в индукционной печи ИТ-1500/8, полученная при промышленном режиме на ЗМЗ.

Промышленная проверка подтвердила технико-экономическую целесообразность применения нагрева токами высокой частоты для рекристаллизационного отжига шарикоподшипниковой

Изменение температуры поверхности , ..i, прутков стали ШХ15 при прохождении чрез печь ИТ-ШО/8 [Щ

стали. Качество материала повышается за с4ет стабильного получения однородных свойств рекристаллизационного металла; исключается возможность перегрева благодаря широким возможностям стабилизации режима нагрева и автоматизации тёхчолога-ческого процесса; исключается из технологического цикла тяжкий ручной труд.

Термическая обработка аустенитной и аустенитно-мартенсит-ной стали должна производиться при иагреве до температуры 1050-1100 "С. При таких условиях нагрева индукционный метод имеет преимущества перед нагревом в печах, так как последние часто выходят из строя из-за отсутствия надежных материалов для нагревателей и футеровки. Поэтому при нагреве в печах температуру закалки часто снижают до 900-950 °С, что отражается на качестве металла. При этом свойства отдельных прутков в пределах садки могут сильно отличаться вследствие неоднородности охлаждения. Индукционный метод, позволяющий осуществить однородный нагрев и индивидуальное охлаждение каждого прутка, позволяет получить высокие свойства обрабатываемого металла. Закалка прутков диаметром 25 мм из стали 12Х18Н10Т производилась на индукционной печи ИТ-1500/8. Температура закалки была в пределах 1150-1180 °С. Средняя скорость нагрева равна 8 °С/с. Общее время рагрева - около 10 мин. Охлаждение - на воздухе. Исследования показали, что закаленная по такому режиму сталь 12Х18Н10Т приобретает механические свойства, -Соответствующие требованиям ГОСТа (Ов > 640 МПа, бю > 53%), и обладает высокой стойкостью против межкристаллической коррозии, , , Аналогичные результаты получены и прц закалке стали 30Х13Н7С2. Закалка прутков этой стали о нагревом в индукционной печи ИТ1500/В обеспечивает получение одцоророй аустенитдой структуры с твердостью р-255,НВ. Такце результаты получены при нагреве до 1130-150 °С в течение 1, »Ын и охлаждении на воздухе. .... -.

Высокие требования по одкор9днрст( меха1,йчески; сщщлл оредъявлякугся к сгглям ауст4?итно-мадте«тнАго кСа. Tojiip

при однородной структуре аустенита можно получить нужные свойства после дисперсионного твердения. Применение индукционного нагрева стали 10Х11Н23ТЗМР позволило удовлетворить этим требованиям. Оптимальным режимом явился нагрев до 1050-1080 °С при скорости нагрева 10 °С/с и охлаждении на возДухе.

Железнодорожные рельсы. Износ и смятие являются важнейшими причинами, вызывающими необходимость замены рельсов и, следовательно, снижающими срок их службы.

Опыт эксплуатации показывает, что повышение твердости головки рельса до 300-400 НВ приводит к уменьшению смятия и изнашивания в 1,5-2 раза. Дальнейшее повышение твердости хотя и полезно для уменьшения смятия и изнашивания, тем не менее нежелательно вследствие повышения хрупкости рельсов.

Так как износ и смятие наиболее часто наблюдаются на концах рельсов, у стыков, высокочастотная поверхностная закалка в первую очередь была использована для их упрочнения.

Для упрочнения концов рельсов существуют два основных способа: закалка с прокатного нагрева с самоотпуском и закалка с высокочастотным нагревом. Способ высокочастотной поверхностной закалки концов рельсов был предложен проф. В. П. Вологдиным и разработан во ВНИИТВЧ под его руководством [3].

Рельсы изготовляют из стали, содержащей 0,6-0,8% С, 0,6- 1,0% Мп, 0,13-0,28% Si, менее 0,04% Р и менее 0,05% S. Рельсы после прокатки не проходят общей термической обработки, кроме замедленного охлаждения для борьбы с флокенами.

Согласно проведенным исследованиям, для упрочнения стыков требуется поверхностная закалка участков длиной 150 мм по всей ширине головки рельса на глубину 5-10 мм. Наилучшей структурой, обеспечивающей сочетание повышенной износостойкости и вязкости слоя, является структура сорбита закалки.

Учитывая большую требуемую глубину слоя, для закалки концов рельсов необходимо применять сравнительно низкие частоты (500-2000 Гц) и, следовательно, машинные генераторы или тиристорные преобразователи частоты.

На одном из заводов для высокочастотной поверхностной закалки концов рельсов используются машинные генераторы мощностью 30 кВт и частотой 500 Гц. Закалка конца производится по методу одновременного нагрева в течение 60-65 с с последующим душевым охлаждением водомасляной эмульсией в течение 30- 35 с. Температура нагрева у поверхности рельса достигает 840- 850 °С, т. е. несколько выше нормальной для данной стали в условиях медленного нагрева, что обеспечивает достижение закалочной температуры на сравнительно большой глубине. Получение необходимой твердости на первых этапах вызывало трудности, так как излишне резкое и продолжительное охлаждение водяным душем приводило к получению нежелательной структуры мартенсита, излишне высокой твердости (60 HRCg и выше), а также к образо-

2 6 10 14 У, мм

Рис. 6.23. Изменение ударной вязкости по глубине головки рельса до высокочастотного упрочнения (2) н после него (/)

ванию закалочных трещин. Снижение твердости и получение необходимой структуры при освоенном методе достигнуты за счет уменьшения резкости и длительности охлаждения. Получаемая структура характеризуется как сорбит закалки, но в действительности на поверхности может содержать также продукты отпуска бей-нита и мартенсита, полученные после окончания душевого охлаждения за счет разогрева теплотой из более глубоких слоев (самоотпуска).

Д. С. Казарновский и др. (УкрНИИмет) изучали сопротивление изнашиванию образцов рельсовой стали без высокочастотной поверхностной закалки и после нее [9]. Исследование, проведенное на машине Савина, показало, что поверхностная закалка на твердость 350 НВ уменьшает износ стали по сравнению с исходным состоянием приблизительно в 2 раза.

Очень большое значение для рельсов имеет их склонность к хрупким разрушениям, особенно в условиях низких температур. В связи с общей тенденцией к повышению хрупкости при повышении твердости можно было бы ожидать повышения хрупкости рельсов при поверхностной закалке. Однако высокочастотная поверхностная закалка кроме повышения твердости приводит к сильному размельчению зерен и получению структуры сорбита, вследствие чего хрупкость не увеличивается, а наоборот, существенно уменьшается. На рис. 6.23 приведены кривые зависимости ударной вязкости от величины расстояния х от поверхности головки рельса до места разрыва образца после высокочастотной закалки и незакаленного рельса. сЗтмечается существенное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах (до -60 °С).

Эксплуатационные испытания рельсов с высокочастотной поверхностной закалкой концов, проведенные О. Н. Усковой, показали их существенное преимущество по сравнению с сырыми незакаленными рельсами -[91,

В настоящее время в промышленности осуществляется термическое упрочнение рельсов по всей длине. Применяются объемная закалка в масле с последующим отпуском, высокочастотная поверхностная закалка головок по всей длине, поверхностная закалка водяным душем после печного нагрева. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

Использование высокочастотной поверхностной закалки головок рельсов создает ряд преимуществ. Возможно использо вание более высокой твердости поверхности вследствие наличия мягких иезакалениых полки и подошвы рельса. Возможно повы-