Коэффициент равномерности нагрева в зависимости от расположения деталей в печи

Анализ видов термической обработки деталей и обоснование выбора.

Отжиг стали ХВГ на зернистый перлит (сфероидизация)

Заэвтектоидные высокоуглеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого перлита (рисунок 8, а) имеют плохую обрабатываемость режущим инструментом. Поэтому заэвтектоидные углеродистые и легированные стали подвергают отжигу только на зернистый перлит (рисунок 8, б).

Получение зернистого перлита достигается специальным видом отжига, близким по своему режиму к неполному отжигу. Сталь нагревают немного выше A_Cl с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Особенно важным для получения зернистого перлита является точное соблюдение температурного режима, так как при очень медленном охлаждении зернистый перлит получается с крупными зернами, а часто с отдельными пластинками перлита, а при более быстром охлаждении образуется мелкозернистый (точечный) перлит. Также для получения зернистого перлита целесообразно применять циклический или маятниковый отжиг. При таком отжиге сталь нагревают до 760-780°С, после небольшой выдержки охлаждают вместе с печью до 680 - 700°С и затем снова повторяют весь цикл несколько раз. [3,5]

а) б)

Рисунок 8 – Структура перлита: а - пластинчатого, б – зернистого.

Оптимальная температура отжига должна превышать критическую точку А_с1на 30°С. СтальХВГ нагревают на 750-760°С, с последующим медленным охлаждением до 700°С вместе с печью.Для деталей сложной формы значительной длины время нагрева

где Di – размерная характеристика нагреваемой детали в миллиметрах, т. е. минимальная величина максимального сечения; k1 – коэффициент формы (имеет следующие значения: 1 – для шара; 2 – для цилиндра; 2,5 – для параллелепипеда; 4 – для пластины); k2 – коэффициент среды (для нагрева в соли k2 = 1; в свинце k2 = 0,5; в газовой среде k2 = 2); k3 – коэффициент равномерности нагрева (таблица 6). Этот способ определения времени нагрева является достаточно точным и наиболее удобным для практического применения. [3]

τ_н= 0,1*2*1*1*90 = 18 мин

Таблица 6

Коэффициент равномерности нагрева в зависимости от расположения деталей в печи

Нагрев до температуры отжига происходит в течение 18 мин, выдержка при температуре отжига в течение 40 мин (из расчета 1мин/мм), затем охлаждение до температуры чуть ниже Аr1 (710°С) вместе с печью (примерно со скоростью 0,3 °С/с) до температуры 680 - 700°С, далее на воздухе со скоростью примерно 3 °С/с до комнатной температуры (рисунок 9).

Рисунок 9 - График сфероидизации стали ХВГ

Закалка стали ХВГ

Окончательная (упрочняющая) термообработка проводится для придания требуемых эксплуатационных характеристик (твердости, износостойкости и т. д.) поверхностям деталей машин.

Для получения высокой прочности и твердости назначается термическая обработка - закалка. Температура нагрева определяется положением критических точек на диаграмме. Для правильного выполнения термической обработки сталей температуры нагрева должны соответствовать указанным областям, в которых основное фазовое состояние - аустенит. Если же по какой-либо причине температура нагрева окажется ниже линии Ас1, то исходная структура сохраняется и свойства сталей после охлаждения не изменяются. [6]

В исходном отожженном состоянии сталь ХВГ имеет структуру перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита). При достижении температуры А1 (730◦С) произойдет полиморфное превращение, сталь приобретает структуру мартенсита (рисунок 10).

Уровень внутренних напряжений оценивается степенью тетрагональности.Чем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, тем выше его твердость. Степень тетрагональности, в свою очередь, будет зависеть от содержания углерода в стали

Рисунок 10 – Структура мартенсита х400

Получить структуру мартенсита (или закалить сталь) можно только в том случае, если обеспечить скорость охлаждения больше или равную критической (V_кр) (рисунок 12),чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур.

Критическая скорость закалки или минимальная скорость охлаждения (V_кр) – это скорость, при которой аустенит переходит в мартенсит. Если же скорости охлаждения будут меньше V_кр, при распаде аустенита получим феррито-цементитные смеси различной дисперсности перлит,сорбит итроостит (рисунок 12).

Перлит (рисунок 11, а), (грубодисперсионная смесь феррита и цементита) может быть получен при очень медленных скоростях охлаждения (на рисунке 12- это скорость V₁). Такие скорости охлаждения характерны для отжига (охлаждение вместе с печью).

При охлаждении углеродистых сталей на воздухе (вид термообработки – нормализация) со скоростями V₂ и V₃ получаем структуры сорбита и троостита. Сорбит (рисунок 11, б) – механическая смесь феррита и цементита средней дисперсности. Троостит (рисунок 11, в) – мелкодисперсная феррито-цементитная смесь. Свойства сорбита и троостита занимают промежуточное положение между свойствами перлита (П) и мартенсита (М).

Рисунок 11 – Структуры: а- перлита, б- сорбита, в- троостита

Основная цель закалки достигается при следующих режимах: нагрев стали на 30 – 50^ОС выше температуры А₁, выдержка при этой температуре и охлаждение со скоростью ³ V_кр (рисунок 15).

Рисунок 12 - Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали со схемами микроструктур и их примерной твердостью: I – кривая начала диффузионного распада аустенита; II – кривая конца диффузионного распада аустенита; Мн – линия начала мартенситного превращения; Vкр – критическая скоростьохлаждения.[3]

Рекомендуемые режимы термообработки стали ХВГ: температура нагрева под закалку T зак= 780–830 °С (HRC 61–64).

На многих заводах приняты следующие нормы нагрева на 1 мм диаметра: при нагреве в пламенных печах 1 мин, в электропечах 1,5–2 мин, в соляных ваннах 0,5 мин, в свинцовых ваннах 0,1–0,15 мин.

Время выдержки изделий при температуре нагрева зависит от многих факторов. Ориентировочно время выдержки деталей и заготовок из углеродистых сталей в пламенных и электрических печах берется в пределах 1,0–1,5 мин на 1 мм сечения детали.

τ_в=1,5*40 = 60 мин τ_н = 1*40= 40 мин

τ_об= τ_в+τ_н= 60+40 = 100 мин

 

Условия охлаждения при закалке определяются сечением инструментов, составом стали и возможностями механизации процесса. Для защиты стали ХВГ от окисления и обезуглероживания целесообразно проводить охлаждение в масле (30-40◦) или в расплавленных смесях (KNO3(53%)+NaNO3(40%)+NaNO2(7%)+2-3,5%H2O). Вода понижает температуру плавления смеси до 100-120°С, смесь применяют с температурой 120-130°С. Охлаждение в этой смеси позволяет получить высокую твердость в инструментах диаметром до 40мм. [3]

График закалки стали ХВГ представлен на рисунке 13.