CC BY
31
УДК 62-1/-9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ БЫТОВЫХ МАШИН
Д.А. Иванов1, О.Н. Засухин2
1 Санкт-Петербургский государственныйуниверситет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А; 2Балтийский государственный техническийуниверситет (БГТУ) «ВОЕНМЕХ.» им. Д.Ф. Устинова, 190005 Санкт-Петербург ул. 1-я Красноармейская, д. 1.
Рассматривается использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения стальных деталей бытовых машин.
Ключевые слова: конструкционные стали, газоимпульсная обработка, конструктивная прочность.
USE OF GAS-PULSE WORKING IN THE PROCESS OF THERMAL STRENGTHENING OF THE PARTS OF THE EVERYDAY MACHINES
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A; The VOYENMEKHBaltic State Technical University (BSTU) of D.F. Ustinov, 190005 St. Petersburg 1st
Krasnoarmeyskaya St., 1.
The use of gas-pulse working in the process of thermal strengthening of the steel parts of everyday machines is examined.
Key words: structural steels, gas-pulse working, structural strength.
Детали из конструкционных легированных сталей, упрочняемых термической обработкой широко применяются в бытовых машинах. Для успешного решения задач сервиса бытовых машин необходимо иметь представление о современных тенденциях в практике упрочняющей термической обработки подобных материалов.
Повышение конструктивной прочности легированных конструкционных сталей традиционных марок в сравнении со стандартными способами термической требует сочетания термообработки с дополнительными воздействиями, такими, как электромагнитное, акустическое, в том числе ультразвуковое и другими. Обыкновенно подобное дополнительное воздействие совмещают с процессом закалки, охлаждение же после отпуска исследуется, как правило, лишь в связи с наличием обратимой отпускной хрупкости. Вместе с тем, воздействие на стальные изделия в процессе отпускного охлаждения требует внесения меньших дорогостоящих технологических изменений, чем внедрение комбинированных методов закалки. Поэтому представляет практический интерес исследование воздействия на стали в процессе отпускного охлаждения дозвуковыми воздушными потоками, создание которых осуществимо по
сравнению со сверхзвуковыми на менее сложном и дорогостоящем оборудовании [1].
В ходе исследования закалённое и нагретое до отпускной температуры изделие после требуемой выдержки помещалось в рабочую камеру экспериментальной установки, генерирующей воздушный поток с частотой колебаний 400-1200 Гц, импульсным воздушным давлением порядка 10 кПа и переменным звуковым давлением до 100 дБ, оказывающий на остывающее изделие комплексное воздей-ствие. При изучении влияния пульсирующего воздушного потока на стальные изделия в процессе их охлаждения после отпуска исходили из предположения, что импульсное воздействие повышает подвижность дислокаций, а следовательно и пластичность, а также способствует релаксации остаточных напряжений, присутствующих в изделии после закалки и полностью не устраняемых традиционным отпуском.
Влияние пульсирующих воздушных потоков на механические свойства сталей оценивалось путём испытания стандартных разрывных и ударных образцов из сталей 40Х; 40ХС, закалённых в масле и отпущенных с воздействием и без воздействия газовых импульсов в процессе отпускного охлаждения. Результаты испытаний показали, что воздей-
ствие газовыми импульсами, оказываемое в процессе охлаждения после отпуска при температуре 200° С позволяет несколько повысить прочность, что может быть связано с интенсификацией пульсациями процесса релаксации остаточных напряжений, сглаживания пиков напряжений путём эстафетной передачи деформации в ненапряжённые микрообъёмы. Данные, полученные с помощью специальных образцов - колец Френча показывают, что при прочих равных условиях тангенциальные остаточные закалочные напряжения после отпускного охлаждения от температуры 200° С с импульсным воздействием в среднем на 35% меньше, чем статочные напряжения в образцах, не подвергавшихся импульсной обработке. Вместе с тем очевидно, что при температуре нагрева 200° С последующее кратковременное импульсное воздействие не может в достаточной степени обеспечить повышение подвижности дислокаций. При более высоких отпускных температурах (450-600° С) импульсное воздействие в процессе отпускного охлаждения способно оказать более значительное влияние на подвижность дислокаций, способствуя повышению пластичности и ударной вязкости.
Результаты исследований, представленные в виде гистограммы (Рис. 1) показывают, что для закалённой в масле стали 40Х после отпуска в течение 30 минут и последующего импульсного воздействия в процессе отпускного охлаждения достигается уровень пластичности и ударной вязкости, соответствующий выдержке в течение 60 минут при обычном отпуске, значения же показателей прочности после импульсного воздействия остаются на уровне, соответствующем тридцатиминутной отпускной выдержке без последующей обработки газовыми импульсами. Подобные результаты получены и для стали 40ХС.
При термической обработке на высокопрочное состояние сталей 40Х и 40ХС применялся комбинированный отпуск, в ходе которого с целью повышения эффективности воздействия газовых импульсов производился кратковременный нагрев до более высоких температур, чем основная температура отпуска.
Исследования выявили, что импульсное воздействие, оказываемое в процессе охлаждения после отпуска при температуре 200 °С, позволяет несколько повысить прочность, что может быть связано с интенсификацией пульсациями процесса релаксации остаточных напряжений, сглаживания пиков
напряжений путём эстафетной передачи деформации в ненапряжённые микрообъёмы. Пластичность в результате импульсного воздействия при данной температуре возрастает незначительно (Табл. 1). Очевидно, что при температуре нагрева 200 °С последующее непродолжительное импульсное воздействие не может в достаточной степени обеспечить повышение подвижности дислокаций. Наиболее высокие сравнительные механические свойства получены в результате испытания образцов, подвергнутых обработке с использованием комбинированного нагрева: после выдержки при основной температуре отпуска они подвергались перед помещением в установку кратковременному нагреву до более высокой температуры с целью повышения эффектив -ности импульсного воздействия. Полученные в результате испытаний средние значения, приведённые в табл. 2, показывают, что импульсная обработка приводит к повышению пластичности и ударной вязкости, а также к некоторому увеличению прочности. При той же или несколько большей прочности рост относительного удлинения составил от 4,5 до 13,6 %; ударной вязкости - от 30 до 50%.
В результате испытаний образцов из стали 40Х, подвергнутой импульсной обработке в процессе отпускного охлаждения получено существенное превышение значениями показателей пластичности и ударной вязкости значений аналогичных показателей после термообработки без импульсного воздействия. Рост относительного удлинения составил от 4,5 до 13,6%, ударной вязкости - от 30 до 50%. Подобная обработка стали 40ХС позволила, как и в случае стали 40Х, при прочих равных условиях повысить пластичность и ударную вязкость в высокопрочном состоянии.
Таким образом, воздействие дозвуковых пульсирующих газовых потоков при обработке на высокопрочное состояние сталей 40Х; 40ХС, осуществляемое в процессе охлаждения после отпуска обеспечивает в сравнении с термообработкой без импульсного воздействия увеличение ударной вязкости до 1,5 раз, рост относительного удлинения и сужения при таких же или несколько более высоких показателях прочности, что повышает надёжность изделий и позволяет снизить их металлоёмкость.
При проведении термоулучшения, воздействие газовых импульсов в процессе охлаждения после высокого отпуска сталей 40Х; 40ХС обеспечивает повышение пластич-
ности и ударной вязкости с сохранением или некоторым ростом прочности при равном времени отпускной выдержки со сталями тех же марок, отпущенными без импульсной обработки.
•с
500
■ Время ■ Охлаждение ИНЯС Иавкгс/мм2 ■ о0,2кгс/мм2 ■ 6% иф% КСиМДж/м2
Рисунок 1. Механические свойства стали 40Х после закалки в масле с 860° С и последующего отпуска при температурах 500, 550 и 600° С: 1-
охлаждение на воздухе, 2 - охлаждение пульсирующим воздушным потоком.
В случае высокого отпуска по интенсивным режимам, в два и более раза менее продолжительным по сравнению со стандартными, импульсное воздействие обеспечивает повышение прочности при сохранении пластичности и ударной вязкости соответствующими значениям, полученным после обычного отпуска по стандартным режимам, что наряду с возможным снижением металлоёмкости изделий уменьшает энергозатраты в ходе термообработки и продолжительность технологических процессов.
В ходе исследований были установлены режимы отпуска, в том числе комбинированного, при которых воздействие пульсирующего газового потока оказывает наибольшее влияние на структуру и свойства сталей. Так,
при обработке на высокопрочное состояние, пятидесятипроцентное повышение ударной вязкости в сравнении с отпуском без импульсного воздействия для закалённой в масле стали 40Х обеспечили нагрев до температуры 200° С, выдержка в течение 1 часа и дополнительный кратковременный (7 минут) нагрев до температуры 300° С с последующей обработкой пульсирующим воздушным потоком в процессе охлаждения.
В случае проведения термоулучшения наиболее высокие сравнительные механические свойства сталь 40Х приобретает после отпуска при температуре 550° С и импульсной обработки в ходе охлаждения с отпускной температуры.
Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности и практической значимости использования нестационарных газовых потоков в качестве средства повышения механических и эксплуатационных свойств стандартно закалённых сталей.
В качестве высокопрочных (предел прочности более 1600 МПа) часто используются легированные конструкционные улучшаемые стали, в том числе 38ХС и 40Х. Термообработка на высокопрочное состояние за -ключается в закалке на мартенсит с последующим низким отпуском продолжительностью 1,5-2 часа. Столь продолжительный отпуск требуется для полного осуществления процесса релаксации остаточных напряжений. Актуальной является задача уменьшения продолжительности отпуска без снижения конструктивной прочности.
В ходе исследований решалась задача поставлена задача сокращения продолжительности технологического процесса упрочняющей термической обработки конструкционных сталей при сохранении высоких значений показателей твёрдости и прочности и обеспечении достаточной надёжности. Решение поставленной задачи достигается тем, что конструкционные стали подвергают стандартной для сталей данных марок закалке на мартенсит с последующим воздействием на них пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ при комнатной температуре (газоимпульсной обработке).
Исследования осуществлялись при помощи газоструйного генератора (рис. 2) типа свистка Гавро с цилиндрическим резонатором, на дне которого для подачи сжатого воздуха соосно с резонатором закреплен газоход. Противоположный торец газохода с помощью плоской круглой крышки образует
131 133
щелевое кольцевое сопло, ширина которого регулируется сменными втулками. Накидная гайка фиксирует положение сменного кольцевого ножа, имеющего клиновой профиль с острием направленным в сторону щелевого сопла. Такое устройство генератора позволяло варьировать удаление клинового ножа от среза сопла, ширину щели сопла и взаимное положение ножа относительно кромок сопла. Веерная струя, натекая на кольцевой нож, создает условия для возбуждения режимов нестационарного наполнения и опорожнения резонатора, что, в свою очередь, вызывает колебательное движение веерной струи. Установка соответствующих цилиндрических проставок одинаковой длины на газоход и резонатор позволяла регулировать глубину резонатора.
Рисунок 2. Газоструйный генератор:
1 - цилиндрический резонатор, 2 - газоход, 3 - центральное тело, 4 - диск, 5 - сменная втулка, 6 - накидная гайка, 7 - сменный кольцевой нож, 8 - крышка, 9 - гайка, 10 - переходник
На параметры акустического поля влияли режимы истечения сжатого воздуха и геометрические соотношения размеров деталей установки: давление торможения рабочего газа Р0 , глубина полости резонатора Ь, расстояние среза сопла от кромки кольцевого ножа Ь , ширина щели сопла к. Продувки проводились при изменениях ширины щели сопла от 0,4 мм до 2,1 мм, глубины резонатора от 169 мм до 400 мм, расстояния от среза сопла до кромки ножа от 6,5 мм до 17,5 мм. Расстояние от среза сопла до острой кромки ножа изменялось дискретно путем установки кольцевых ножей 5 с различными центральными отверстиями от 40 до 75 мм. Внутренний диаметр резонатора 1 равнялся й3 = 85 мм. Наружный диаметр газохода 2 был равен й2=30 мм и соответствовал диаметру крышки 8, образующей вместе торцем газохода, кольцевое сопло.
Интегральный уровень шума Ь Дб, излучаемого генератором, изменяется с ростом полного давления в ресивере немонотонно.
Более высокие величины излучения были получены при значении диаметра центрального отверстия й2 в кольцевом ноже, приближающемся к диаметру внутренней полости резонатора. Количество дискретных частот в спектре, заметно превышающих уровень белого шума, колебалось от 5- 6 до 1-2 в зависимости от величины полного давления в газоходе перед соплом и сочетания конструктивных параметров экспериментальной установки на конкретном режиме. При чем с уменьшением количества частот до наличия единственной частоты в спектре значение ее интенсивности излучения приближается к величине интегрального шума излучателя на данном режиме.
Механизм автоколебаний очень похож на колебания струи в обычном свистке Гавро, имеющиеся отличия в параметрах излучаемого шума определяются особенностями кон -структивного исполнения излучателя и условиями формирования и взаимодействия веерной струи с острой кромкой кольцевого ножа.
Технологически данная обработка конструкционных сталей на высокопрочное состояние реализуется следующим образом: Стальное изделие закаливается на мартенсит стандартно для стали данной марки, после чего при комнатной температуре размещается на выходе из резонатора установки и подвергается в течение 10-15 минут воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока, имеющего частоту 1130-2100 Гц и звуковое давление 120-140 дБ, оказывающего комплексное влияние на метастабильную структуру мартенсита и способствующее протеканию в ней процессов, аналогичных превращениям при низком отпуске, вызывая при этом более значительное, чем при низком отпуске снижение остаточных напряжений. При этом выбор амплитудно-частотных характеристик воздушного потока и продолжитель-ности обработки определяется геометрическими параметрами, а также материалом обрабатываемого изделия [2]. Механические свойства сталей 40Х и 38ХС после описанной обработки более высокие в сравнении со свойствами после стандартной обработки на высокопрочное состояние, заключающейся в закалке и последующем низком отпуске. При твёрдости в среднем на 2 единицы НЯС выше и более высоких значениях показателей прочности значения показателей пластичности и ударной вязкости не уступают стандартным. Подобно тому, как в случае механического воздействия на остаточный аустенит в закалённой стали он превращается в мартенсит,
метастабильный мартенсит закалки может распадаться с образованием мартенсита отпуска и е-карбида в результате распространения в изделии механических волн. Также происходит релаксация остаточных закалочных напряжений вследствие перемещения дислокаций.
Данный способ позволяет применять обработку пульсирующим воздушным потоком к изделиям из конструкционных легиро-
ванных сталей, термообрабатываемых на высокопрочное состояние.
Таким образом был получен технический результат, заключающийся в сокращении в 3-4 раза продолжительности технологического процесса упрочняющей термической обработки конструкционных сталей при сохранении высоких значений показателей твёрдости и прочности и обеспечении достаточной надёжности.
Таблица 1. Механические свойства стали 40Х, закалённой в масле с 860 ^ на твёрдость 52 HRC при стандартном отпуске и отпуске с импульсной обработкой.
Режим отпуска № опыта Механические свойства
HRC ^0,2 £ V
МПа %
200 °С 120 мин. Воздух 1 50 1860 1650 3 7
2 50 1680 1380 4 8
3 50 1800 1600 4 8
Среднее значение 50 1780 1543 3,7 7,7
200 °С 120 мин. Воздух с импульсной обработкой 1 50 1860 1650 3,7 9
2 50 1760 1640 5,3 8
3 50 1820 1630 5 8
Среднее значение 50 1813 1643 4,7 8,3
Таблица 2. Механические свойства стали 40Х, закалённой в масле с 860 ^ после комбинированного отпуска.
Режим отпуска Механические свойства
HRC ^0,2 5 V KCU
МПа % МДж/м2
Нагрев до 200 °С, 1 час + нагрев до 300 °С, 7 мин. охлаждение на воздухе 51 1810 1510 8,9 38 0,2
То же с импульсной обработкой 51 1815 1510 9,6 43 0,3
Нагрев до 200 °С, 1,5 часа + нагрев до 350 °С, 7 мин. охлаждение на воздухе 49 1680 1480 8,1 40 0,3
То же с импульсной обработкой 49 1765 1520 9,2 50 0,4
Нагрев до 200 °С, 1,5 часа + нагрев до 400 °С, 7 мин. охлаждение на воздухе 48 1600 1470 8,4 33 0,2
То же с импульсной обработкой 48 1655 1485 9,3 40 0,3
Литература
1. Иванов Д.А., Васильева A.B. Струйные технологии в машиностроении. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. - 147 с.
2. Иванов Д.А. Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. -СПб., 2010, №2, с. 20-22.
1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика», СПбГУСЭ, тел.: (812) 368-40-64 , моб.: +7 9817640822, e-mail: [email protected];
2 Засухин Отто Николаевич - заведующий лабораторией газодинамики БГТУ им Устинова, моб.: +7 951 6484544 e-mail: [email protected].
