СОВРЕМЕННЫЕ ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ИНТЕНСИВНЫХ МЕТОДОВ ЗАКАЛКИ СТАЛИ

Интенсивные методы охлаждения при закалке изделий из легированных сталей широко применяют в машиностроении, инструментальной промышленности, а также при термоупрочнении проката. Эти методы находят все более широкое применение в связи с тем, что дорогие, экологически вредные и пожароопасные масла, а также расплавы щелочей вытесняются чистой водой с применением специальных закалочных устройств. Наметились три основных пути реализации интенсивных методов закалки стали.

Охлаждение осуществляют до полного остывания или до момента достижения максимальных сжимающих напряжений на закаливаемой поверхности с максимальной скоростью в мартенситом интервале [1].

Поверхность закаливаемой детали охлаждается с максимальной скоростью до достижения температуры начала мартенситного превращения Мн или до температуры, при которой в переохлажденном аустените образуется не более 50 % мартенсита. Затем температура охлаждаемой поверхности поддерживается примерно на постоянном уровне до момента достижения температурой в теплоинерционных точках значения Мн+ (20—200 °С). Дальнейший процесс охлаждения осуществляется на воздухе или продолжается с максимально возможной скоростью до комнатной или отрицательной температуры.

В третьем направлении интенсивность теплоотвода от охлаждаемой поверхности регулируют в зависимости от формы и размеров детали.

Цилиндрические детали, например полуоси, охлаждают в интенсивном потоке воды. Скорость потока воды должна быть такой, чтобы не было задержки понижения температуры поверхности закаливаемой детали в области мартенситных превращений, т.е. продолжительность нестационарного пузырькового кипения tUK должна быть сведена к минимуму. Для расчета времени предложена формула [1]:

fnjc ** [О + fla&J&2]K/a, (1) где Q, / — константы, 01э tf2 — перегрев жидкой среды в пристенном слое в начале и в конце пузырькового кипения; К— коэффициент формы Кондратьева, а — температуропрозод ность материала.

Из общеизвестной безразмерной зависимости типа

Nu = f(Re, Pr) (2) выбирают скорость v продольного потока воды или величину конвективного коэффициента теплоотдачи такими, чтобы удовлетворялось условие tn к = 0. Например, для полуосей диаметром 40 мм это справедливо, если v = = 7 м/с. Формула (1) позволяет определить минимальную скорость продольного потока воды в закалочной камере, при которой наблюдается дополнительное упрочнение материала [1] . Процесс интенсивного охлаждения продолжают до момента достижения максимальных сжимающих напряжений на поверхности полуоси, определяемого расчетным путем [2].

Второй путь реализации интенсивных методов закалки наоборот требует задержки процесса нестационарного пузырькового кипения. Для этого обычно используют закалку в жидких средах под давлением или применяют растворы солей с повышенной температурой кипения пристенного слоя и низким коэффициентом теплоотдачи в области конвективного теплообмена.

Продолжительность нестационарного пузырькового кипения при закалке цилиндрического образца диаметром 30 мм от 850 °С в водных растворах СаС12 при 20 °С следующая (в числителе — экспериментальная; в знаменателе— расчетная):

Третье направление применения интенсивного метода закалки можно продемонстрировать на примере термоупрочнения сегментов из стали 70Г. Сегмент имеет форму треуголь ника с усеченной вершиной. На боковых сторонах сегмента (режущей части) имеется насечка, делающая сегмент очень чувствительным к образованию закалочных трещин в процессе его термоупрочнения. На установке ТВЧ нагреваются только боковые режущие части: середина и основание сегмента не термо упрочняются.

Исследования показали, что при охлаждении сегмента равномерно по всей поверхности в закаленном хрупком слое возникают растягивающие напряжения, приводящие к интенсивному образованию закалочных трещин.

Эскизы инструментов из стали Р6М5, упрочненных интенсивными методами: а — пуансон; б — пельцер; в — матрица

При изоляции ненагретой поверхности от попадания на нее закалочной среды в закаленном слое наоборот возникают сжимающие напряжения, предотвращающие разрушение материала в области концентраторов напряжений. Оптимизация распределения струйного охлаждения по поверхности деталей сложной формы позволяет добиться успешного применения интенсивных методов закалки даже к деталям, очень чувствительным к образованию закалочных трещин.

За счет создания сжимающих напряжений на закаливаемой поверхности можно реализовать многократную интенсивную закалку быстрорежущей стали.

Повышение долговечности работы пробивных пуансодов из стали Р6М5 (см. рисунок) за счет интенсивной многократной закалки в водных растворах СаС12 иллюстрируют следующие данные (в числителе — при однократной закалке; в знаменателе — при многократной): до износа

Количество ударов (циклов) до полного износа пуансона после многократной закалки возросло в 1,5—2 раза.

При реализации рассмотренных направлений интенсивной закалки в качестве закалочной среды может быть рекомендована чистая вода. Однако требуется создание соответствующих закалочных устройств, реализующих указанные методы.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994