Главная  Применение термической обработки 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ 11 ] [12] [13] [14]

кон1етных технологических процессов закалки, так как стремление увеличить глубину закаленного слоя неизбежно требует повышения температуры поверхности. В особенности это проявляется при поверхностной закалке полых шеек, имеющих толщину стенки 12-15 мм. Во избежание сквозного нагрева стенки приходится сокращать время нагрева, что влечет за собой увеличение градиента температур в пределах нагретого слоя. В результате на поверхности может получиться среднеигольчатый мартенсит, а в тонком поверхностном слое и вблизи масляных отверстий игольчатость может быть близка к крупной. По-видимому, с этим можно мириться, учитывая, что структура поверхностного слоя шейки не определяет конструктивной прочности коленчатого вала.

В большинстве случаев поверхностную закалку шеек коленчатых валов производят с самоотпуском, прерывая охлаждение и создавая условия вторичного нагрева поверхностных слоев металла за счет тепла сердцевины. Такая технология снижает вероятность возникновения трещин. Если шейка сплошная, т. е. не имеет сквозного отверстия, то режим самоотпуска отрабатывается сравнительно легко, так как в сердцевине шейки в период начального охлаждения сохраняется достаточное количество тепла. В этом случае после закалки не требуется дополнительный отпуск. Если шейка полая, то при резком закалочном охлаждении трудно уловить момент, когда поверхностный слой закалится на заданную глубину, а в незакаленной зоне сохранится при этом достаточное количество тепла для отпуска. Не исключено, что самоотпуск будет недостаточен для снижения остаточных напряжений, возникающих на границе слоя и могущих оказать влияние как на прочность вала, так и на его рихтуемость. Тогда в технологическом цикле термической обработки коленчатых валов приходится предусматривать обычный отпуск с нагревом в печах.

Дополнительный отпуск необходим и после поверхностной закалки коленчатых валов, изготовленных из легированной стали (см. п. 3.6).

На шейках коленчатых валов имеются обычно маслоподводящие отверстия. При нагреве около отверстия плотность тока выше средней, что вызывает перегрев кромок. Для уменьшения перегрева необходимо снимать у краев отверстия фаски. Так как маслоподводящие каналы направлены под углом к поверхности шейки, одна кромка имеет острый угол, где наиболее вероятны перегрев и возникновение трещин. В некоторых конструкциях коленчатых валов предусматривают более сложные каналы: сначала они направлены по радиусу шейки на глубину 3-5 мм, а затем изменяют направление. С точки зрения индукционного нагрева такая конструкция отверстия предпочтительна.

Для снижения опасности перегрева кромок в отверстия вставляют заглушки, действие которых описано в гл. 3.

Перегрев кромок особенно опасен при закалке чугунных коленчатых валов. Чугун имеет сравнительно низкую температуру плавления, и при перегреве может произойти оплавление кромок.

В промышленности применяют закалочные станки различной конструкции. Наиболее распрбЛ-ранены станки и автоматические линии, в которых закалка шеек производится поочередно разъемными индукторами,

имеющими контакт между двумя полукольцами; вал при этом не вращается. Однако станки этой системы имеют ряд недостатков, затрудняющих получение равномерного по окружности слоя. В месте разъемов наблюдается сужение слоя и уменьшение его глубины. Кроме того, в процессе эксплуатации индукторы деформируются, равномерность зазора между индуктором и деталью нарушается, искажается форма слоя, твердость поверхности получается неравномерной.

Делаются попытки применить разъемные, но бесконтактные индукторы. В этом случае возможно применение или шарнирной системы связи между двумя полукольцами индуктора, или электромагнитной связи, подобной той, которая описана в вып. 2 для закалки распределительных валов. Первая система не снимает полностью недостатки, свойственные контактным индукторам. Сохраняется неравномерность слоя против мест разъема индуктора. Преимущество такой системы по сравнению с разъемной контактной системой, по-видимому, сводится к стабильности качества нагрева и, следовательно, стабильности результатов закалки, к сохранению размеров индукторов и повышению их долговечности. Кроме того,-шарнирная система позволяет создать производительные закалочные станки. Система с электромагнитной связью между полукольцами индуктора более сложна и пока для закалки шеек коленчатых валов не нашла удовлетворительного конструктивного решения.

В последних конструкциях станков закалка коленчатых валов производится при их вращении. Шейки нагреваются петлевыми индукторами, предложенными фирмой «Элотерм» (ФРГ) и охватывающими только часть окружности шейки. Кинематическая схема станка позволяет индуктору с трансформатором следить за перемещением как каждой коренной, так и шатунных шеек. Вал вращается со скоростью 30-60 об/мин. При вращении шейка постепенно нагревается на заданную глубину, после чего охлаждается душем из спрейера, конструктивно связанного с траверзой, держащей индуктор и трансформатор.

Вращение коленчатого вала во время нагрева и охлаждения позволяет получить более равномерный по ширине закаленный слой. Несколько смягчается нагрев около масляного отверстия, так как в промежутке между нагревами, когда нагретый участок выходит из-под индуктора, тепло, сконцентрированное около отверстия, частично рассеивается.

На станках такого типа облегчаются условия закалки шеек коленчатых валов с галтелью. Возможно создание конструкции петлевого индуктора, в которой выделение" энергии концентрируется вблизи галтели. Правда, в этом случае на нагрев оказывают влияние щеки: в тех положениях вала относительно индуктора, где боковые ветви индуктора располо-гаются против щек, тепло активно отводится в холодный металл и температура нагрева галтели оказывается ниже, чем в тех местах, где щек нет. Для получения равномерного нагрева необходимо предусматривать регулирование мощности по мере вращения вала.

Поверхностная закалка шеек коленчатых валов с галтелью уже находит промышленное применение, так как экспериментально докггзано повышение прочности вала в 1,5-1,8 раза.



5.3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ШЕСТЕРЕН

Технология поверхностной закалки шестерен подробно описана в вып. 2. Здесь целесообразно остановиться на некоторых вопросах, касающихся прежде всего металловедческой стороны процесса.

Можно выделить несколько видов высокочастотной термической обработки шестерен, зависящих от габаритных размеров и формы детали, от материала и условий эксплуатации.

Шестерни малого модуля, распространенные главным образом в стан-ко- и приборостроении, обычно работают при малых контактных давлениях и при отсутствии ударных нагрузок. К ним предъявляют повышенные требования только по износостойкости, а к прочностным свойствам высоких требований нет. Поэтому применяют наиболее простой и производительный способ высокочастотной термической обработки при нагреве венца шестерен на глубину, захватывающую не только зуб, но и часть обода. Материалом для таких шестерен обычно служат стали 45, 40Х, 40ХН и другие среднеуглеродистые и малолегированные стали. Поскольку осуществляется довольно глубокий нагрев, время нагрева сравнительно велико: 15-40 с в зависимости от размеров и модуля шестерни. При таких режимах температура нагрева не превышает 900 °С. В зависимости от материала охлаждение должно производиться погружением в масло или водяным душем. При закалке без самоотпуска твердость зуба должна быть максимальной - около 60 HRC,. Последующий отпуск снизит твердость до требуемого уровня, обычно составляющего 45-50 HRC,.

Отрабатывая режим закалки шестерен с самоотпуском, необходимо учитывать, что при самоотпуске нагреву будут подвергаться в первую очередь впадины и основания зубьев. Однако обычно это обстоятельство не является столь важным, так как свойства прочности нужны именно у основания зуба. Для получения однородной твердости по всему контуру шестерни можно применить дополнительный электроотпуск в том же индукторе.

На рис. 5.2 приведены схемы распределения структуры и твердости шестерен различных модулей при закалке с нагревом током радиочастоты (от лампового генератора). Как видно из схемы, применение этих частот дает удовлетворительный результат только на шестернях малого модуля (до /п«4 мм). При более крупном зубе получить закаленный слой во впадине не удается, а обрыв закаленного слоя у основания зуба сильно снижает его прочность.

Такой характер закалки можно объяснить слудующим образом. В начале нагрева ток протекает по контуру шестерни, соответственно и индуктированное тепло выделяется в поверхностном слое, повторяющем контур. Однако в зубе тепло постепенно накапливается, а от впадины оно отводится в тело обода. Нужна очень большая удельная мощность подводимого тока и очень краткое время нагрева, чтобы сохранить контурный характер нагрева и получить закаленный слой по обводу шестерни.

Удовлетворительные результаты получены при нагреве током высокой частоты шестерен с /п=4,5 мм, венец которых предварительно нагрет до


Рис. 5.2. Распределение закалочного слоя иа шестернях различного модуля га при сквозном прогреве зуба и обода током радиочастоты: а-га =2,0 мм; б-m = 2,02,5 ММ; е-га=2,5-4,0 мм; г-т=4,0мм (цифры на рисунке - значения HRC,);

/ - закаленный слой; 2 - переходная зона; 3 - исходный металл

температуры 550-650 °С. В этом случае затруднен отвод тепла в сердцевину и впадина прогревается до температуры закалки. Этот способ поверхностной закалки по ряду организационных причин не получил распространения на предприятиях нашей страны, в то время как зарубежные фирмы его используют.

Так как шестерни с m=4-6 мм обычно работают в более тяжелых условиях, помимо сопротивления изнашиванию зубья должны обладать высокой изгибной прочностью. Зубья, закаленные насквозь, ие удовлетворяют этим требованиям. Поэтому в настоящее время большинство шестерен такого типа подвергаются цементации или нитроцементации с последующей термической обработкой.

На Московском автомобильном заводе им. Лихачева разработана поверхностная закалка по контуру шестерен, изготовленных из малопро-каливаемой стали. Как отмечалось в п. 3.4, при закалке таких сталей глубина закаленного слоя определяется глубиной прокаливаемости стали. Нагрев токами высокой частотыосуществляется глубоко, так что прогреваются зуб и обод шестерни, а при последующем резком охлаждении структура мартенсита образуется только в тонком поверхностном слое по контуру шестерни.

Шестерни с т = 6 мм и более закаливают по впадине, создавая закаленный слой на рабочей поверхности зуба и во впадиие. Одновременный и последовательный способы закалки описаны в вып. 2. Здесь следует отметить, что при закалке по впадине трудно избежать закалочных трещин, которые обычно возникают у основания зуба. Это может быть объяснено следующим образом. При нагреве впадины поверхностный слой увеличивается в объеме и контур становится короче (рис. 5.3). При резком



Закаленный слой


Рис. 5.3. Механизм возникновения трещины во впадине шестерни:

а - контур впаднны б - то же после за-

HcXOi

контур

Исходный контур

Трешина

охлаждении быстро фиксируется новый профиль, и последующее тепловое сокращение будет сопровождаться возникновением напряжений растяжения в поверхностном слое. Последующее превращение ауетенита в мартенсит, сопровождающееся увеличением удельного объема, препятствует глубокому проникновению трещин, но шестерни даже с неглубокой трещиной во впадине к работе не пригодны.

Одним из методов, позволяющих избежать трещин при закалке шестерен по впадине, является охлаждение в массу изделия. Такой способ требует, во-первых, применения специальных марок стали, обадающих сравнительно малой критической скоростью закалки, например стали 45ХН. Во-вторых, нужно стремиться к минимально допустимой глубине прогрева, так как с уменьшением глубины нагретого слоя скорость его охлаждения в массу изделия увеличивается. С точки зрения прочности глубина закаленного на мартенсит слоя должна быть во впадинеО,7-1,0 мм. Расчеты показывают, что нагретый слой такой глубины в интервале температур 900-500 "С охлаждается за счет отвода тепла в толщу изделия со скоростью более 1000 °С/с, достаточной для получения структуры мартенсита.

При закалке с отводом тепла в толщу изделия следует иметь в виду, что по мере закалки всей шестерни, переходя от одной впадины к другой, тепло в толще изделия накапливается, температура изделия повышается, что приводит к снижению скорости охлаждения поверхностного слоя. Поэтому в процессе закалки необходимо искусственно охлаждать зоны, смежные с закаливаемым участком.

5.4. ИНДУКЦИОННАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОКАТА

Улучшение труб нефтяного сортамента. С увеличением глубины нефтяных скважин возрастают требования к прочностным и пластическим свойствам бурильных и обсадных труб. Улучшение - один из наиболее перспективных методов упрочнения труб нефтяного сортамента. Применение для этой цели индукционного нагрева позволяет существенно снизить производственные площади, расходы на обслуживание и ремонт оборудования, расход охлаждающей жидкости и, следовательно, экономически целесообразно. >i

Для Таганрогского металлургического завода была разработана технология и создана установка для индукционного улучшения труб из стали

марок 45Г, 36Г2С и 38ХНМ диаметром 141-168 мм с толщиной стенки 7-14 мм. Температура нагрева под закалку 850-950 "С, время нагрева 30-60 с в зависимости от толщины стенки. Охлаждение осуществляется снаружи водяным душем (из спрейеров с вращающимся потоком), расход воды 0,3-0,4 м/(с-м), время активного охлаждения 15-20 с. Температура отпуска 550-700 °С, скорость нагрева под отпуск около 10 °С/с.

Нагрев под закалку и отпуск производятся от машинных генераторов с частотой 2500 Гц. Расход электроэнергии 300 кВт-ч/т на закалку и 150 кВт-ч/т на отпуск. Установка позволяет непрерывно-последовательным методом осуществлять полный цикл термической обработки труб.

Трубы, уложенные в стык на подающем рольганге, последовательно проходят через закалочный индуктор, охлаждающую камеру со спрейе-рами и отпускной индуктор. Осуществление отпуска непосредственно после закалки позволяет сократить габаритные размеры установки и снизить опасность трещинообразования в период транспортировки закаленной трубы до отпускного индуктора.

Как видно из табл. 5.2, в результате индукционного улучшения трубы из стали всех марок не уступают по свойствам трубам меньших сечений из этих же сталей после высокотемпературной тер мо меха ни чес кой обработки (ВТМО). При этом свойства труб из стали 45Г достигают категории прочности М по ГОСТ 632-80 *, из стали 36Г2С - категории прочности Р, а трубы из стали 38ХНМ значительно превосходят по прочности категорию Р.

Улучшение газопроводных труб большого диаметра. В СССР потребление газа непрерывно возрастает. К трубам, идущим на газопроводы, предъявляются особо высокие требования по надежности и работоспособности при низких температурах.

ВНИИ ТВЧ совместно с Волжским трубным заводом была разработана технология и создана опытная установка (впервые в СССР) индукционного улучшения сварных спиральношовных труб диаметром 820- 1220 мм. В качестве источников питания были выбраны три статических преобразователя ТПЧ-630/1 (Я = 630 кВт; /=1000 Гц), работающих параллельно. Технологию индукционного улучшения отрабатывали на трубах диаметром 1020 мм с толщиной стенки 10 мм из стали марки 17Г1С. Суммарное время нагрева под закалку не превышало 50 с; скорость нагрева 11ф = 10 °С/с; температура закалки 950-980 °С; температурный градиент по сечению трубы к концу нагрева не превышал 50 °С (на внутренней, поверхности шва); охлаждение осуществлялось системой спрейеров с индивидуальным и регулируемым подводом воды, обеспечивавших высокую равномерность и одновременность теплоотвода как по периметру, так и по длине трубы; расход воды M«0,3 м/(с-м). Суммарное время нагрева под отпуск приблизительно 25 с; температурный градиент по сечению к концу нагрева составлял 30 °С; температура отпуска 650-700 °С.

Как видно из табл. 5.3, трубы, прошедшие индукционное улучшение, обладают прекрасным сочетанием прочностных и пластических свойств, но особенно высоки вязкие свойства при отрицательных температурах.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ 11 ] [12] [13] [14]

0.001