CC BY
93
УДК 669.018.5.017.3
В.В. Илюшин, Н.А. Данилова (Тула, ОАО «Тулаточмаш»)
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОКОВОК ИЗ СТАЛИ 12ХН3А, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ГЛУБОКОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
Дан анализ превращений в хромоникелевой стали при цементации и закалке, определены оптимальные режимы, обеспечивающие минимальные поводки при термической обработке крупногабаритных поковок.
Термическая обработка является заключительным этапом в металлургическом цикле производства крупных поковок и изделий. Однако важным этапом при получении крупногабаритных заготовок деталей является технология получения поковки. Суть технологии заключается в нанесении ударов на вращающуюся поковку. В результате удар по поковке получается сглаживающий. Осадка поковки за 1 оборот составляет 1,5-2 мм. Така технология получения поковки внедрена на заводе кузнечнопрессового оборудования (г. Рязань). Поводки при последующей термической обработке у поковок, полученных по этой технологии, составляют до
0,3 мм. Поводки поковок, полученных традиционным методом (без вращения), после термообработки доходяг до 5 мм.
Обычно термическая обработка состоит из двух этапов: первичной термической обработки в виде отжига ил нормализации после ковки и окончательной термической обработки, состоящей из нормализации и закалки или закалки с отпуском.
Термическая обработка деталей, работающих на износ и требующих высоких твердостных характеристик, состоит, как правило, из цементации - насыщения поверхности углеродом с последующей закалкой.
Термическая обработка изделий и полуфабрикатов больших сечений обладает рядом специфических особенностей. Охлаждение крупных заготовок на воздухе, в масле и даже в воде с температуры аустенизации проходит сравнительно медленно; при этом наблюдается значительная разница в скоростях охлаждения заготовок, что обусловливает неодновременность превращения аустенита и различие в структуре поверхностных и центральных зон, а также различие механических свойств. Также причиной неоднородности превращения аустенита в изделиях больших сечений может житься ликвация элементов. На рис. 1 приведена ликвация элементов хромоникелевой стаи по сечению поковки.
В работе [1] описан способ получения глубокого слоя цементации при температуре от 920 до 1000 °С , что позволяет примерно вдвое повысить глубину насыщения, а пи 1100 - 1150 °С скорость цементации возрастает в 2 - 3 раза.
Расстояние отповерхностн, мкм.
Рис. 1. Ликвация хрома и никеля по сечению поковки
из стали 12ХН3А
Влияние режима цементации на глубину и среднюю скорость насыщения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Скорость насыщения и глубина слоя при температуре цементации 1150 °С
Марка стаи Глубина слоя, мм Средня скорость насыщения, мм/ч
при выдержке, мин
25 45 90 25 45 90
20 0,80 1,00 1,50 1,95 1,32 1,00
12ХН3А 0,53 0,90 1,44 1,26 1,20 0,96
18ХНВА 0,67 0,90 1,16 1,61 1,20 0,77
При заданных в конструкторской документации высоких величинах цементированного слоя эти температурные режимы были бы весьма выгодны. Как видно из табл. 1, для стаи 12ХН3А при температуре цементации 1150 °С глубина слоя достигает 1,44 мм за 1,5 часа.
В разрез с общепринятыми представленими неоднородность превращений аустенита бурно развивается, прежде всего, в направлении накопления весьма значительных напряжений сжатия в сердцевине. Интенсивность накопления напряжений соответственных знаков непрерывно возрастает с понижением температуры как вследствие элиминирования эффектов рекристаллизации, отдыха, возврата и других процессов, приводящих к релаксации напряжений, и в сиу повышения скорости превращения аустенита в сердцевине.
Даже после того, как в сердцевине превращение аустенита завершается полностью, накопление растягивающих аустенитный слой напряжений в процессе охлаждения протекает с большой интенсивностью благодаря возникающей большой разности коэффициентов термического расширения слоя и сердцевины.
Таким образом, к началу мартенеигного превращения аустенита в цементитном слое аустенит неизменно испытывает интенсивное двухосное растяжение, а сердцевина, претерпевшая превращения, испытывает сжатие. Чем выше скорость охлаждения, тем выше величина накапливающихся к этому моменту напряжений укаанных знаков, как в силу снижения эффекта релаксации, так и вследствие увеличения пределов текучести слоя и сердцевины под действием повышения скорости приложения термической нагрузки [2].
Начао мартенситного превращения в слое в первый момент приводит к существенной рагрузке взаимодействующих объемов. Чем выше остаточные напряжения, накапливающиеся в системе к этому моменту, тем больша часть объемного эффекта превращения слоя в мартенсит затрачивается на погашение возникших напряжений и соответственно меньша его часть способствует равитию поля напряжений обратного знака после полного охлаждения. Вследствие того, что увеличение скорости охлаждения одновременно способствует повышению интенсивности мартенситного
превращения в слое, оно связано с большим объемным эффектом превращения в слое и смещением его в область низких температур [3].
На рис. 2 приведены кривые нагрева и охлаждения для стал 12ХН3А, цементовавшейся при 950 °С в течение 8 часов и охлаждавшихся со скоростью).
Рис. 2. Влияние скорости охлаждения стали 12ХН3А на изменение разности относительных удлинений свободных цементированного слоя и сердцевины при нагреве и охлаждении
□
300
Скорость охлаждения, Уохл=2,5 /мин.,
При охлаждении от 900 до 830 - 820 °С слой и сердцевина сохраняют аустенитное состояние при том условии, что цементированный слой претерпевает незначительное уменьшение объема вплоть до 710 - 690 °С наблюдается относительное расширение сердцевины, которое должно приводить к интенсивному растяжению слоя.
При охлаждении от 710 до 660 °С взаимодействие слоя и сердцевины меняет знак и сводиться к возникновению незначительных сжимающих слой и растягивающих сердцевину напряжений [4].
Для термообработки деталей был применен метод цементации в твердом карбюризаторе. В качестве карбюризатора применялась смесь древесного угля твердых пород и углекислого бария (3-6 %).
На ОАО «Тулаточмаш» была поставлена задача получения тонкостенных колец (30 мм) с обеспечением слоя цементации 1,7 - 2,2 мм на поверхности А и твердости этого слоя >56 НRC. (рис. 3).
Относительность приращения сердцевины х 103
Рис. 3. Изменение разности относительных удлинений слоя и сердцевины хромоникеевой стали при малых скоростях охлаждения; цементация при 910 °С- 8 часов
При проведении опытных работ на деталях выяснилось, что проведение химико-термической обработки при указанных режимах ведут к деформации деталей. В процессе насыщения углеродом поверхностный слой испытывает прогрессирующее растяжение, в то время, ка сердцевина сжимается слоем. Опытным путем были подобраны оптимальная температура цементации 920 °С, обеспечивающая минимальную деформацию деталей, и время выдержки 20 часов с остыванием в печи до 700 °С (4 часа).
После цементации проводилась правка детали с последующим снятием напряжений.
После цементации поверхностный слой на детали срезается и остается только по поверхности А (рис. 4).
А
Рис. 4. Эскиз цементированной и закаленной детали
Также после каждой механической обработки детали проводится снятие напряжений.
На операцию «закалка» деталь поступает в размерах согласно требованиям чертежа с припуском на механическую шлифовку.
Задача операции «закалка» не только в обеспечении твердости поверхности А, но и сохранении точных геометрических размеров детали. Внешний диаметр 414Ы2(-15), внутренний 382 Н8(+15), высота 15,5Ы1(-15).
Закалка проводится с температуры 850 - 870 °С в масло в приспособлении, обеспечивающем «заневоливание» детали.
В процессе быстрого совместного охлаждения слоя и сердцевины наиболее интенсивное взаимодействие между ними развивается ниже порога рекристаллизации, т.е. в условия быстрого затухания релаксационных процессов, вследствие чего становится возможным последовательное накопление остаточных напряжений и других эффектов мгновенного действующего поля напряжений. Следовательно, необходима операция «снятие напряжений». Также авторами рекомендуется проводить операцию «снятие напряжений» 300 - 350 °С 2 - 2,5 часа после каждой механической обработки данной детали.
После закалки проводится операция «сняие напряжений», которая является заключительной и обеспечивает заложенные в КД твердостные характеристики > 51 НRC.
Применение режимов, подобранных на предприятии ОАО «Тула-точмаш» для термообработки крупногабаритных поковок полученных на заводе кузнечно-прессового оборудования (г. Рязань), позволяет получать в конечном итоге сложные детали с минимальными поводками при термообработке.
Библиографический список
1. Башни Ю.А. Термическая обработка крупногабаритных изделий и полуфабрикатов на металлургических заводах / Ю.А. Башни, В.Н. Цур-ков, В.М. Коровина. - М.: Металлурги, 1985. - 176 с.
2. Касатонов В.Ф. Термическая обработка и очистка поковок / В.Ф. Касатонов, В.С. Стрелков, Б.О. Темки. - Ленинград: Машиностроение. - 1982. - 70 с.
3. Мальгина Г.А. Скоростная цементация деталей и инструмента / Г.А. Мальгина, И.С. Буркут. - Минск: Машиностроение, 1972. - 26 с.
4. Юрьев С.Ф. Деформация стаи при химико-термической обработке/ С.Ф. Юрьев. - М.: Машгиз, 1980. - 302 с.
Получено 24.10.08.
УДК 621.778.27
Ю.М. Тебенко, Н.Ю. Землянушнова (Ставрополь, ОАО «Автокрансервис»)
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРУЖИН
Приведены исследования по определению предельного состояния высокоскоростной пружины гидрооткатняка, в результате чего установлена удовлетворительная для практики сходимость значений предельных нагрузок контактного заневоливания, рекомендуемых ЦНИИМ, рассчитанных ро математическим зависимостям, определённых экссери-ментально. По размеру упругого ядра пружины определена предельная нагрузка.
Исследования по повышению стойкости высокоскоростной пружины 5-7 гидрооткатника, представленные в монографии [1 ], проводились в 1968 - 1971 годы, когда наилучшими инструментами инженера машиностроительного завода были логарифмическая линейка и линейки кульмана, проводились дорогостоящие эксперименты [2, 3], все трудоёмкие расчеты выполнялись вручную, а для проведения анализов и выводов строились таблицы и графики.
Результатом явилось то, что благодаря применению [4] разработанных технологических процессов, способов и устройств для контактного заневоливания решена проблема с недопустимо увеличенной осадкой пружин: стойкость опытных пружин относительно штатных пружин увеличилась в 1,5 раза.
По величине осадки пружин (рис. 1) от приложения контрольной нагрузки (2к стало возможным контролировать качество выполнения технологического процесса и качество метала, что исключает поступление дефектных пружин на сборку. Установлена удовлетворительна сходимость рекомендуемо го ЦНИИМ [5] предела максимаьных нагрузок 300^3 и определённого экспериментаьно 288^3 (160 т) [2].
