CC BY
139
16. Мерзликин В.Г., Худяков С.В., Предигер В., Сажин СС. Оптимизация спектральных характеристик терморадиационных источников и облучаемых сред и материалов в природе и технике. М.: Сб. трудов межд. научно-практ. конф. «Инновации: перспективы, проблемы, достижения» под ред. A.A. Гажура. Разд. 3 «Инновации в организации и управлении производством, образованием и наукой». 27 мая 2013 г. ISBN 978-5-81215-1889-6. С. 371 - 382.
17. Мерзликин В.Г., Бекаев A.A., Сутугин В.Г., Кузнецов ЮА. Полупрозрачное теплозащитное покрытие с отражающим оксидированным подслоем. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. №4, 2012. С. 16-29.
18. Товстоног ВА., Мерзликин В.Г. Методика и программное обеспечение для расчета радиационных и температурных полей плоских образцов многослойных полупрозрачных материалов при сложной радиационно-конвективной тепловой нагрузке. М.: МГТУ «MAMH», электронное учебное пособие, ISBN 5-94099-031-2, 2004.
19. Takeshi Sugihara, Kenjiro Shimano, Yoshiteru Enomoto, Yasuko Suzuki, Masahiko Emi. Direct Heat Loss to Combustion Chamber Walls in a D.I. Diesel Engine. - 8th Int. Conf. on Engines for Automobile - ICE2007, 1б September. 2007. - Capri - Naples, Italy. Book of abstracts, 2007. P. б. - Conference CD-ROM, paper № 2007-24-000б, p.p. 12.
20. Имитация космического полета [Электронный ресурс]. URL: http://astronaut.ru/bookcase/books/sharp01/text/26.html?reload_coolmenus
21. Космос начинается на Земле [Электронный ресурс]. URL: http://vbega.ru/book/e2e28ed.html.
22. Комплекс стендов и оборудования ЦСКБ "Прогресс" для исследования и испытания KA и их систем [Электронный ресурс]. URL: http://www.sumspace.ru.
23. ОAО "НПО "Молния". Лабораторная и стендовая база [Электронный ресурс]. URL: tehotdel@npomolniya.ru; molniya@npomolniya.ru.
24. Елисеев В.Н., Товстоног ВА. Aнализ технических возможностей создания высокоэффективных установок радиационного нагрева для тепловых испытаний объектов аэрокосмической техники. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. № 1. С. 57 - 70.
25. Елисеев В.Н., Товстоног ВА. Особенности моделирования тепловых режимов крупногабаритных космических. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012. № 3. С. 22 - 32.
26. Товстоног ВА., Томак В.И., Цветков С.В., Чирин К.В. Экспериментальный комплекс для теплопрочностных испытаний материалов и элементов конструкций при высокоинтенсивном нагреве. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2009. № 1. C.67-76.
27. Елисеев В.Н., Товстоног ВА. Характеристики источников излучения и излучательных систем высокоинтенсивного нагрева. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2001. № 4. C. 3-32.
28. Merzlikin V., Elieseev V., Gazhur A., Prediger V. Stand modeling of radiant and convective impact for the heat-insulated combustion chamber. FISITA World Automotive Congress. Maastricht, 01 - 0б June 2014, congress CD-ROM, paper № F2014-CET-143, p.p. 1 - 8.
Опыт закалки хромистых сталей в вакууме
к.т.н. доц. Овсянников Б.Л., к.т.н. доц. Васильевский В.В., к.т.н. доц. Куломзин Е.К.
МИЭМНИУ ВШЭ
8(499)-235-20-87, obl_d@mail.ru, 8(499) - 235-12-23, vvasil@hse.ru, ekulomzin@hse.ru
Аннотация. Изложен опыт и результаты исследований режимов закалки изделий из стали 40Х13 в вакууме, в единичном и мелкосерийном производстве. По-
казана эффективность высокотемпературной закалки деталей с охлаждением вакуумной камеры на открытом воздухе. Разработана математическая модель охлаждения вакуумной камеры, позволяющая исследовать режимы охлаждения и варианты конструкции вакуумной камеры.
Ключевые слова: термообработка, закалка, отпуск, вакуум, математическая модель.
В развитии современного производства можно отметить, по крайней мере, две тенденции. Взрывное расширение номенклатуры деталей и связанное с этим развитие мелкосерийного и единичного производства. Проникновение в эти производства технологий, ранее считавшихся высокими: электронной, ионной вакуумной и лазерной техники, что связано с совершенствованием технологического оборудования [1]. В статье излагается опыт вакуумной закалки заготовок из высоколегированной коррозионностойкой хромистой стали 40Х13, предназначенных для мелкосерийного производства медицинских инструментов и результаты математического моделирования процессов охлаждения деталей в вакууме.
Заготовки представляют собой круглые стержни диаметром 6 мм и длиной 110 мм. По техническим условиям они должны закаливаться до твёрдости 50-55 ИЯС. Обычно рекомендуемый режим термообработки для стали 40Х13: нагрев до температуры 1000-1050°С в течение 15-20 минут, с охлаждением в масле и немедленным отпуском при 200-300°С [2]. При этом достигается твёрдость 60 ИЯС. После такой закалки изменяется цвет и ухудшается качество поверхности изделий, поэтому возникает необходимость дополнительной обработки.
Закалка изделий в вакууме, как известно [1, 2], не только не ухудшает поверхности деталей, но и производит их некоторую очистку. Это позволяет устранить последующую механическую обработку деталей и существенно снизить трудоёмкость их изготовления. В Московском институте электроники и математики (МИЭМ) в «Лаборатории вакуумной техники» под руководством доцента Куломзина Е.К. была разработана простая установка для вакуумной закалки малых партий таких изделий (рисунок 1). При этом был использован опыт отечественных и зарубежных разработчиков [3,4, 5].
Рисунок 1. Общий вид установки вакуумной закалки
Установка состоит из цилиндрической рабочей вакуумной камеры (ВК), изготовленной из жаропрочной нержавеющей стали толщиной 5 мм; вакуумной системы, обеспечивающей высокий вакуум до 10- ПА; электропечи и средств, позволяющих осуществлять различные режимы охлаждения. Предусмотрены также возможность напуска аргона в рабочую камеру и возможность измерения температуры закаливаемых деталей в процессе их нагрева и охлаждения. Диаметр камеры 100 мм, длина - 600 мм.
Принципиальная схема установки показана на рисунке 2.
Закаливаемые детали помещаются в контейнер длиной 120 мм и диаметром 60 мм, ко-
Серия «Технология машиностроения и материалы» торый так же изготовлен из жаропрочной нержавеющей стали, с коэффициентом заполнения 0,7. Контейнер с деталями размещается в центре нагреваемой вакуумной камеры.
Закалка в вакууме состоит из двух взаимосвязанных процессов. Процесса нагрева закаливаемых изделий в вакууме и процесса охлаждения, который может осуществляться в газовой, жидкой или вакуумной среде.
Преимуществами нагрева в вакууме являются:
• высокая равномерность нагрева излучением, уменьшающая напряжение в поверхностном слое нагреваемых деталей и исключающая их коробление;
• сохранение химического состава поверхностных слоёв деталей и, как следствие, возможность их нагрева до высоких температур.
ВА V»! РА2
Рисунок 2. Принципиальная схема установки вакуумной закалки: N1 - механический насос, N0 - диффузионный насос, УП2 -клапан напуска воздуха, УЕ2 - байпасный клапан, РТ -тепловой манометр, РА - ионизационный манометр
Наиболее сложной и многовариантной является процедура охлаждения закаливаемых деталей. Охлаждение деталей должно осуществляться со скоростью, обеспечивающей формирование мартенситных структур в материале деталей и, следовательно, требуемую их твёрдость. Процесс охлаждения не должен ухудшать качество поверхности и внешний вид изделий, что исключает контакт деталей с охлаждающей средой. Таки образом, необходимо охлаждать всю вакуумную камеру вместе с деталями, но при этом существенно уменьшается скорость охлаждения. Возникает вопрос, возможна ли закалка в этом случае, и если возможна, каковы должны быть режимы охлаждения?
Подбор режимов охлаждения затрудняется большим разнообразием вариантов. Возможно охлаждение нагреваемой вакуумной камеры в жидкости - в воде, или в масле, в воздухе с принудительным обдувом или без него. В самой нагреваемой вакуумной камере в процессе охлаждения может поддерживаться определённая степень разряжения, либо в неё может осуществляться напуск некоторого количества инертного газа с целью повышения скорости охлаждения. Важно и то, что в единичном и мелкосерийном производстве необходимо организовать технологический процесс закалки наиболее простым и дешёвым способом.
Предварительные пробы закалки осуществлялись при нагреве ВК с деталями в диапазоне температур от рекомендованной 1000 - 1150°С, с выдержкой при температуре в течение 30 минут. После чего ВК охлаждалась в воде, и затем осуществлялась нормализация при 200°С в течение 2 часов. Исследования твёрдости образцов показали, что образцы, нагретые до 1150°С, приобрели твёрдость 50-53 ИЯС. Остальные образцы либо не закалились совсем, либо закалились до твёрдости 20-30 ИЯС.
Таки образом было установлено, что закалка в вакууме должна быть высокотемпературной. Охлаждение ВК в воде приводит к тому, что сама ВК коробится и быстро выходит из строя, поэтому были исследованы другие способы охлаждения.
Для предварительной оценки различных вариантов и режимов охлаждения была разра-
ботана математическая модель охлаждения деталей в вакууме для проведения компьютерных экспериментов. Для того чтобы сравнить различные варианты охлаждения, была разработана двухтельная модель, в которой одним телом является охлаждаемая садка с набором заготовок, а другим - корпус вакуумной камеры. Упрощённая схема математической модели показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема математической модели установки: 1 - первое тело садка с закаливаемыми заготовками, 2 - второе тело корпус вакуумной камеры.
Параметры модели соответствуют реальным размерам рабочей камеры: первое тело -цилиндр из жаропрочной нержавеющей стали диаметром d=60 мм и длиной /=120 мм с коэффициентом заполнения закаливаемыми заготовками п=0,7; второе тело - закрытый металлический цилиндр длиной ¿=600 мм, диаметром .0=100 мм, с толщиной стенки Н=5 мм. Так как разрабатываемая модель предназначена для приближённых оценок влияния различных факторов на скорость охлаждения, примем ориентировочно значения теплофизических параметров для материалов вакуумной камеры садки и закаливаемых заготовок одинаковыми и приблизительно равными следующим значениям плотности —р = 8 г/см3; теплоёмкости — С = 0,45 Дж/г ■ К0; теплопроводности - Я = 0,2 Вт/см ■ К0. При моделировании были сделаны следующие допущения:
• теплопроводность тел многократно выше теплопроводности сред, поэтому градиенты температуры внутри тел не рассматриваются;
• так как поверхности тел существенно различаются, передача энергии осуществляется только за счёт излучения центрального тела [6], и приведённый коэффициент черноты равен коэффициенту черноты центрального тела;
• теплообмен со средой осуществляется по закону Ньютона, причём коэффициенты теплообмена определяются эмпирически.
Обозначим: Т1 — температура первого тела, Т2 — температура второго тела, Т0 — температура окружающей вакуумную камеру среды. Температура первого тела Т1 изменяется под действием потока тепла, создаваемого разностью температур Т1 —Т2. Температура второго тела (ВК) - Т2 изменяется под влиянием двух потоков, приходящего от первого тела и уходящего от ВК в окружающую среду. В модели учитываются две составляющие потоков: лучистая и конвективная. Динамика изменения температуры тел при охлаждении описывается следующей системой дифференциальных уравнений:
Ж
(1)
(1а)
• приведённый коэффициент лучистого теплообмена в форме Ньютона тел 1 и 2;
БпеС,
С^2> То) —
0((ю2о) (юо) )
(1б)
СрУ2(Т2 - Г0)
• приведённый коэффициент лучистого теплообмена в форме Ньютона тела 2 и окружающей среды;
ак1> ак2 ~ приведённые эмпирические коэффициенты конвективного теплообмена для
вакуумной камеры и окружающей её атмосферы; 51( Уг; Б2, У2 - площади поверхностей и объёмы 1 и 2 тел соответственно; С,р,£ — теплоёмкость, плотность, коэффициент черноты тел 1 и 2; С0 - постоянная Стефана-Больцмана.
Система (1) не линейна, и решения могут быть получены только численными методами. Система (1) позволяет оценить влияние лучистого и конвективного теплообмена на скорости изменения температуры тел 1 и 2 и время их охлаждения.
Решения системы (1) получены с помощью системы МЛТЬЛВ. В первом случае варьировался коэффициент ак2 при фиксированном значении ак1, соответствующему давлению в вакуумной камере 10- Па. Оценка значения ак1 проводилась по методике [6] и проверялась опытным путём по времени охлаждении тела 1. Для вакуума и заданных параметров тел ак1 = 1 ■ 10_5[1/С]. Параметр ак2 отражает различные варианты охлаждения вакуумной камеры. Моделировались три случая:
• охлаждение в воде ак2 = 10[1/С];
• охлаждение на воздухе с обдувом ак2 = 5 - 10_1[1/С];
• охлаждение на воздухе без обдува ак2 = 1 ■ 10_1[1/С].
Результаты моделирования приведены на рисунке 4. Как видно из приведённых графиков, температура садки с деталями уменьшается до 500°С примерно за 10 минут, что хорошо согласуется с экспериментом. Время и характер охлаждения садки в высоком вакууме практически не зависит от способа охлаждения вакуумной камеры.
Рисунок 4 Рисунок 5
Зависимость температуры от времени: 1,2,3 -зависимости температуры ВК; 1",2",3" - соответствующие зависимости температуры садки; 1 - охлаждение ВК в воде, 2 - охлаждение на воздухе с обдувом, 3 - охлаждение на воздухе без обдува
В другом численном эксперименте оценивалось влияние методов охлаждения вакуумной камеры на скорость охлаждения садки при среднем вакууме. В этом случае значения ак2 оставались прежними, а ак1 = 5 ■ 10_3[1/С], что по нашим оценкам соответствует среднему вакууму, который создавался напуском в камеру аргона до давления (5-7)102 Па. Результаты приведены на рисунке 5.
Как следует из рисунка, влияние способа охлаждения ВК на скорость охлаждения садки возросло, причём охлаждение в воде и на воздухе с обдувом мало отличаются друг от друга. Температура в 5000С достигается за 5-7 минут, а скорость охлаждения при свободной конвекции оказалась практически такой же, как и в предыдущем эксперименте.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что оптимальным режимом охлаждения является охлаждение на воздухе с принудительным обдувом при незначительном напуске аргона в вакуумную камеру. Следует отметить, что при последующем медленном охлаждении камеры и садки в течение 1-2 часов автоматически происходит отпуск деталей.
Эксперименты на реальных образцах показали, что в случаях высокого и среднего вакуума достигается твёрдость 50-55 HRC при охлаждении с обдувом. Следовательно, можно предположить, что закалка происходит при повышенных температурах, где скорость охлаждения составляет 70-100°С в минуту. Предварительные металлографические и рентгено-структурные исследования образцов не позволяют однозначно судить об образовании достаточного объёма мартенситных структур. Можно предположить, что упрочнение заготовок связано, во-первых, со смещением С-кривой закалки в область большей продолжительности садки и, следовательно, со снижением критической скорости закалки [7], и, во-вторых, с образованием большого количества хромистых карбидов при повышенных температурах закалки [2].
Выводы
1. Высокотемпературная закалка в вакууме стали 40Х13 с охлаждением ВК на открытом воздухе позволяет достичь твёрдости 50-55 HRC без изменения цвета деталей и ухудшения качества их поверхности.
2. Процессы закалки и отпуска в случае высокотемпературной вакуумной закалки могут быть совмещены в одном цикле нагрева.
3. Разработанная двухтельная математическая модель процесса охлаждения вакуумной камеры и садки с закаливаемыми деталями адекватно отражает реальные процессы закалки и может быть использована для предварительной апробации режимов охлаждения и вариантов конструкции вакуумной камеры.
Литература
1. Наукоемкие технологии машиностроительного производства: Физико-химические методы и технологии. Учебное пособие / Ю.А. Моргунов, Д.В. Панов, Б.П. Саушкин, С.Б. Са-ушкин. Под ред. Б.П. Саушкина. - М.: Издательство «Форум», 2013. - 928 с.
2. Гуляев А.П. Металловедение, 6-е изд. М.: «Металлургия», 1986. С. 370-378.
3. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Васильев Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов. 2-е изд., переработанное и дополненное. М.: Энергоатомиздат, 1991.
4. Мурованная С.Г. Закалка сталей в вакууме. М.: «Машиностроение», 1974, 22 с.
5. Баранов И.В. Оборудование для термической обработки в вакууме. М.: «Машиностроение», 1975, 33 с.
6. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. Издание второе М., «Высшая школа», 1975. С. 428-431.
7. Физическое металловедение. В 3-х томах / Под редакцией Р.У. Кана и П. Хаазена, М.: «Металлургия», 1987, т. 2. С. 508-511.
8. Physical metallurgy R.W. Cahn, P. Haasen, vol. 2, North-Holland Physysics Publishing, Amsterdam- Oxford-New York- Tokyo.
