3.2. Расчет прокаливаемости по номограмме м. Е. Блантера

При расчетах по второму варианту на основании данных о толщине мартенситной и полумартеиситной зоны, указанной в приведенных ниже или предварительно экспериментально определяемых по способу торцевой закалки, рассчитывают критический диаметр цилиндрической детали (с различным отношением высоты к диаметру), шара или параллелепипеда для различных условий охлаждения при закалке.

Для решения задачи используется специальная номограмма (номограмма М. Е. Блантера). В ее верхней части (приложение 1) даны две шкалы I и II, характеризующие расстояние от охлаждаемого торца образца. Для определения наибольшего диаметра (называемого критическим) или детали, прокаливающихся полностью по сечению с образованием мартенситной структуры, используют шкалу II, а для определения наибольшего диаметра (толщины) для полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита) — шкалу I.

На шкале I или соответственно шкале II находят расстояние от торца до конца мартенситной и полумартенситной зоны. Схема пользования номограммой приведена на рис. 10.

На шкале I или соответственно шкале II находят расстояние от торца до конца мартенситной и полумартенситной зоны, найденное экспериментально для данной стали или по данным рис.1, 5-6.

Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией на номограмме (точка I на номограмме М.Е. Блантера), указывающей идеальное охлаждение (идеальную закалочную жидкость, т. е. жидкость, которая обеспечивала бы высокую и равномерную скорость охлаждения от температуры закалки до +20 °С). Из этой точки проводят горизонтальную линию влево до пересечения с линией номограммы (точка 2), соответствующей нужной в искомом случае среде охлаждения (вода, масло, воздух). Затем из точки 2 опускают перпендикуляр на шкалу «размер, мм» (в нижней части диаграммы). В точке пересечения читается ответ — наибольший диаметр (толщина) образца, прокаливающегося полностью в выбранной закалочной жидкости с получением полумартенситной или мартенситной структуры.

Критический диаметр определяем по номограмме Блантера. Данные о прокаливаемости в различных видах охладителей, у которой расстояние до полумартенситной зоны равно ≈ 17,46,49 мм, для мартенситной зоны ≈ 6, 20, 25 мм приведены в таблице 11. (для сталей 50ХГ, 55ХГР, 60ХГРА).

Таблица 11

Критические диаметры сталей марок 50ХГ 55ХГР 60ХГРА по диаграмме

М. Е. Блантера

Марка стали	Номер охладителя	Отношение длины образца к диаметра
		L/d=0,25		L/d=0,5		L/d=1
		Критический диаметр,мм
		D50	D99,9	D50	D99,9	D50	D99,9
50ХГ	1	215	38	142	26	105	19,5
	2	210	35	139	24	102	18
	3	205	34	130	23	100	17
	4	200	25	125	17	92	13
	5	160	19	110	13	82	9,5
	6	155	17	105	11,8	78	8,8
	7	115	10,5	75	7	55	5,1
	8	19		13		9,5
55ХГР	1	400	67	270	45	205	35
	2	395	62	265	43	200	32
	3	390	60	260	40	195	29
	4	380	47	250	34	185	25
	5	360	38	230	25	175	19
	6	340	34	220	22	170	17
	7	200	22	170	15	130	11
	8	50	3,2	35	2,2	26	1,6
60ХРГА	1	450	72	300	50	225	37
	2	440	68	290	45	220	35
	3	420	65	280	44	215	33
	4	405	50	275	35	210	27
	5	400	42	270	26	200	21
	6	390	37	255	25	190	19
	7	300	25	200	17	150	13
	8	55	4	37	2,5	28	2

* 1 - Идеальное охлаждение α→∞; 2 - 5% NaOH в воде 20 ⁰С; 3 - 5% NaCl в воде 20 ⁰С; 4 - вода 20 ⁰С; 5 - вода 40 ⁰С; 6 - вода 60 ⁰С; 7 - минеральные масла; 8 - вода 80 ⁰С; 9 – воздух.

Строим графики прокаливаемости полумартенситной и мартенситной зоны от охлаждающей среды.(Рис.11-17)

Рисунок 11. График прокаливаемости стали 50ХГ до мартенситной зоны: 1 - 5% NaOH в воде 20 ⁰С, 2 - 5% NaCl в воде 20 ⁰С, 3 - вода 20 ⁰С, 4 - вода 40 ⁰С, 5 - вода 60 ⁰С, 6 - минеральные масла, 7 - вода 80 ⁰С, 8 - воздух.

Рисунок 12. График прокаливаемости стали 50ХГ до полумартенситной зоны: виды охладителя смотреть рисунок 11.

Рисунок 13. График прокаливаемости стали 55ХГР до мартенситной зоны виды охладителя смотреть рисунок 11.

Рисунок 14. График прокаливаемости стали 55ХГР до полумартенситной зоны виды охладителя смотреть рисунок 11.

Рисунок 15. График прокаливаемости стали 60ХГРА до полумартенситной зоны виды охладителя смотреть рисунок 11.

Рисунок 16. График прокаливаемости стали 60ХГРА до мартенситной зоны виды охладителя смотреть рисунок 11.

В таблице 12 приведены данные о том, в каких охладителях для валов из сталей 50ХГ, 55ХГР, 60ХГРА , будет получена мартенситная и полумартенситная структуры при различных диаметрах представлены в таблице .

Таблица 12

Прокаливаемость образцов марок сталей 50ХГ, 55ХГР, 60ХГРА

Марка стали	Структура
	М			50%М+50%Т
	Отношение длины образца к диаметру
	L/d=0,25	L/d=0,5	L/d=1	L/d=0,25	L/d=0,5	L/d=1
	(d=10)	(d=20)	(d=30)	(d=10)	(d=20)	(d=30)
50ХГ	1-7	1-3		1-8	1-7	1-7
55ХРГ	1-8	1-6	1,2	1-8	1-8	1-7
60ХГРА	1-8	1-6	1-3	1-8	1-8	1-7

Микроструктуры

Разработка процессов термической обработки детали "Опорная плита"

Опорная плита - рельсовая подкладка или путевая подкладка. Рельсовые подкладки, используются в железнодорожном строительстве при прокладке рельс. Рельсовая подкладка или путевая подкладка необходима при прокладке железнодорожных путей, так как они не только поддерживают рельсы, но и позволяет устанавливать на них всю систему скрепления. Рельсовые подкладки - верхний компонент крановых рельс или системы поддерживающей рельсовые пути. Основная функция рельсовой подкладки или путевой подкладки - обеспечить ровность, гладкость опорной поверхности рельс, позволяя рельсовой системе вертикальное выравнивание. Рельсовая подкладка крепится с помощью анкерных болтов, также известных как прижимные болты. Путевые подкладки обычно устанавливаются с помощью слоя литого раствора, который заполняет пустоту между подкладкой и бетонным фундаментом.

Выбор нагреваемого устройства

Рис. 17. Камерная печь СНО-4.8.2,5/13-И

Для нагрева детали "Опорная пластина " выбрана камерную электрическая печь СНО-4.8.2,5/13-И. Камерные электропечи – это широко применяемый тип печей в металлообработке. Они применяются для различных видов термообработки – закалка, отжиг, нормализация, отпуск при максимальной рабочей температуре в 1300ºС.

Структура условного обозначения: С – нагрев сопротивлением; Н – камерная; О – окислительная среда в рабочем пространстве; 4 – ширина рабочего пространства, дм; 8 – длина рабочего пространства, дм; 2,5 – высота рабочего пространства, дм; 13 – номинальная температура, сотни ° С; И2 – исполнение.

Вид климатического исполнения УХЛ4 и О4 по ГОСТ 15150 – 69. Электропечи сохраняют свои параметры в пределах нормы при воздействии механических факторов внешней среды по группе М1 ГОСТ 17516 – 72. 

Условия эксплуатации:

• высота над уровнем моря не более 1000 м;

• температура окружающего воздуха от 1 до 35 ° С;

• относительная влажность воздуха до80% при температуре 25 ° С.

Окружающая среда – невзрывоопасная, с допускаемым содержанием агрессивных газов, паров и пыли в концентрациях, не превышающих указанных в ГОСТ 12.1.005 – 76. Степень защиты выводов электропечей – IP 20, шкафов управления - IP 31 по ГОСТ 14254 – 80. Электропечь СНО-4.8.2,5/13-И2 ля внутрисоюзных и экспортных поставок соответствует ТУ16.681.169-87. Электропечи соответствуют требованиям СТ СЭВ 4500 – 84.

Таблица 13

Технические данные

Наименование параметров	Тип электропечи СНО-4.8.2,5/13-И2
Код по ОКП	3 442 113 197
Установленная мощность, кВт	50
Номинальная (потребляемая мощность), кВт	40,3
Номинальная температура, ° С	1300
Напряжение питающей сети, В	380, 400, 440
Номинальная частота, Гц	50 ± 1; 60 ± 1,2
Число фаз	3
Масса садки, кг, не более	250
Характер среды в рабочем пространстве	окислительная
Размеры рабочего пространства, мм:
- длина	800
- ширина	400
- высота	250
Мощность холостого хода, кВт	10,9
Производительность , кг/ч (при нагреве садки от 850 до 1300 ° С )	240
Масса, т, не более:
- электропечи	1,87

Конструкция

Электропечь (рис.18) состоит из кожуха 1, двухслойной футеровки 2, образующей камеру нагрева, карбидокремниевых электронагревателей 3 и теплоизолированной заслонки 4.

Кожух электропечи изготовлен из листовой стали. Футеровка состоит из муллитокремнеземистого волокнистого теплоизоляционного материала и слоя огнеупорного кирпича.

В отверстия, имеющиеся в кожухе и футеровке, вставлены карбидокремниевые электронагреватели. Электрический монтаж электронагревателей осуществляется алюминиевой фольгой. Места токо подвода закрыты кожухами.

Заслонка, теплоизолированная муллитокремнеземистым волокнистым материалом, подвешена к кожуху электропечи на рычаге.

Регулирование температуры электропечи осуществляется автоматически. В период наладки возможно ручное регулирование температуры.

Приборы и аппаратура системы управления установлены в шкафу управления 5.Установочные размеры электропечей и шкафов управления приведены на рисунке 18. 

Предельные отклонения установочных и присоединительных размеров соответствуют ГОСТ 25346 – 82.

Рисунок 18. Конструкция электрической печи сопротивления СНО- 4. 8. 2,5/13-И2

Время нагрева

Прочностные характеристики детали, приведенные выше, с точки зрения термической обработки можно обеспечить закалкой с отпуском. Продолжительность нагрева стальных изделий до заданной температуры или скорость нагрева зависят главным образом от температуры нагрева стали, конфигурации изделий, мощности и типа печи, величины садки, способа укладки и других факторов.

Таблица 16

Нормы продолжительности нагрева стальных изделий

Наименование агрегата	Температура нагрева, °С	Продолжительность нагрева на 1 мм диаметра изделия, с
		Из углеродистой стали	Из легированной стали
Пламенная печь	800-900	60-70	65-80
Тоже при упаковке изделий в ящики	800-900	90-100	120-150
Электропечь	770-820	60-65	70-75
	820-880	50-55	60-65
Соляная ванна	770-820	12-14	18-20
	820-880	12-14	16-18
	1240-1310	6-8	8-10
Свинцовая ванна	770-820	6-8	8-10
	820-880	5-7	7-8

При расчете продолжительности нагрева следует принимать во внимание способ укладки изделий. Из таблицы выбираем значения коэффициента времени нагрева изделий К_расп, который зависит от расположения изделий в печи.

Рис. 19. Схема укладки детали «Плита опорная»

На подине будут укладываться согласно схеме, представленной на рис. 19. В этом случае принимаем коэффициент равный 2.2. Итак, время нагрева для закалки при температуре 920 ̊С будет равно по формуле:

τ_н= (D₁+К_выд)*К_укл= (60+36)*2,2=211,2мин

где, D₁ – максимальный размер по сечению, мм;

К_выд - коэффициент нормы продолжительности нагрева стальных изделий;

К_укл – коэффициент расположения изделия.

Для отпуска время нагрева рассчитывается по той же формуле.

τ_н= (D₁+К_выд)*К_укл= (70+36)*2,2=233мин

Рис. 19. Зависимость коэффициента продолжительности нагрева К_РАСП от расположения деталей в печи (d - диаметр или сторона квадрата)

Время выдержки

Продолжительность выдержки изделий при данной температуре, так же как и при продолжительности нагрева зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения избыточных фаз, и структурных превращений, происходящих в стали. Из таблицы 17 выбираем продолжительность выдержки изделия в зависимости от их условной толщины (продолжительность выдержки исчисляется с момента достижения изделия заданной температуры). Условная толщина изделия (стенки) определяется как произведение ее фактической средней толщины на коэффициент формы, зависящий от соотношения между нагреваемой поверхностью и объемом изделия.

Из табл. 18 выбираем коэффициент формы изделия. Исходя из условной толщины детали равной 36 мм и коэффициента формы равного 2,0, получим время для закалки выдержки при температуре 920 ̊С :

τ_В=(К_выд+D₁)*К_фор=(35+35)*2=140мин=2,1ч

где, К_выд – коэффициент продолжительности выдержки при закалке в зависимости от условной толщены изделия;

К_фор- коэффициент формы изделия.

Время выдержи для отпуска при температуре 600 ̊С:

τ_В==(К_выд+D₁)*К_фор =(35+45)*2=160мин=2,3ч

где, К_выд – коэффициент продолжительности выдержки при закалке в зависимости от условной толщены изделия.

Таблица 17

Продолжительность выдержки изделий в электропечах при температуре закалки (взята из расчета 1 мин на 1 мм условной толщины)

Условная толщина изделия, мм	Продолжительность выдержки, мин	Условная толщина изделия, мм	Продолжительность выдержки, мин
35	35	80	80
40	40	85	85
45	45	90	90
Продолжительность выдержки изделия в электропечах при отпуске
Условная толщина	Продолжительность выдержки, мин, при температуре, ̊С
	<300	300-400	>400
35	155	55	45
40	160	60	50
45	165	65	55

Таблица 18

Коэффициенты формы изделий

Вид сечения	Коэффициенты формы	Вид сечения	Коэффициенты формы
	2,0		1,0
	4,0 для длинных труб или труб с закрытыми концами; 2,0 для коротких труб с открытыми концами		1,5
	При b=2s-1,5 При b=3+4s-1,75 При b>4s-2		1,5
	0,75

Термическая обработка как закалка требует после выдержки охлаждения деталей в воде, а после отпуска в воде. Но с учетом укладки деталей в виде стопки будем использовать при этом вентиляторы, обдувающие стопку с трех сторон.

По данным расчета времени нагрева, времени выдержки мы можем представить нормализацию с отпуском как режим термической обработки в виде графика, представленного на рис 20.

Рис. 20. Схема режима ТО детали «Плита опорная»

а) б)

Рис. 21. Микроструктуры стали 38ХСЛ до (а) и после (б) ТО

Характеристика стали 38ХСЛ

Сталь 38ХСЛ конструкционная легированная хромом, с содержание хрома 1,3-1,6% . Химический состав этой стали приведен в таблице 19.

Таблица 19

Химический состав стали 38ХСЛ ГОСТ 4543-71

Содержание химических элементов, %
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,34-0,42	1-1,4	0,3-0,6	0,3	0,025	0,025	1,3-1,6	0,3

Стали 38ХСЛ имеет заменители, ими являются 40ХС. Сталь 38ХСЛ трудно сваривается, это значит, что для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 ̊С, при сварке, термообработка после сварки - отжиг. Режимы термообработки и механических свойств для стали 38ХСЛ приведены в таблице 20.

Таблица 20

Режимы термообработки и механические свойства стали 38ХСЛ ГОСТ 4543-71

Режим ТО	Сечение, мм	σ0,2 , МПа	σв, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, кДж / м2	HB
Закалка. 910 °С Масло	До 100	540	685	15	45	59	223-262
Отпуск 600 °С, Вода		590	735	14	45	59	235-277

Сталь 38ХСЛ имеет критические температурные точки A_C3 и А_С1, которые приведены в таблице 6.

Таблица 6

Температура критических точек ГОСТ 4543-71

Марка стали	Критические точки
	Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
38ХСЛ	763	810	680	755

Заключение

В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термистам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.

Список литературы

1. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.

2. Справочник термиста ремонтной службы / М. А. Тылкин. М: Металлургия, 1981. – 648 с.

3. Металловедение / А.П. Гуляев. – М: Металлургия, 1977. – 647 с.

4. ГОСТ 14959-79. Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. - М: ИПК – Издательство стандартов, 1981. - 14 с.

5. ГОСТ 4543-71. Прокат из конструкционные углеродистой и легированной стали. - М: ИПК – Издательство стандартов, 1971. - 14 с.