Механические свойства стали 27СГМ при растяжении. 1 – секундный электроотпуск; 2 – часовой отпуск в печи
Структура стали после скоростного электроотпуска отличается повышенной дисперсностью карбидов и большей плотностью дислокаций в α-растворе, вследствие чего достигаются более высокие значения прочностных характеристик по сравнению с печным отпуском при той же температуре. Пластичность
оказывается пониженной. |
11 |
Влияние скорости нагрева и температуры отпуска на ударную вязкость стали 27СГМ: 1 – секундный электроотпуск; 2 – часовой
отпуск к печи
Ударная вязкость стали может быть как ниже так и выше, чем после печного отпуска. При скоростном отпуске ослабляется развитие отпускной хрупкости. Например, значительно ослабляется необратимая отпускная хрупкость стали 27СГМ, и соответствующее ей снижение ударной вязкости смещается в область более высоких температур на 50...70 °С.
12
Индукционный нагрев
Быстрый нагрев наружного слоя толщиной в несколько миллиметров (чаще от двух до пяти) в целях поверхностной закалки осуществляют преимущественно индукционным методом.
Толщина нагреваемого слоя определяется глубиной проникновения токов Фуко и может быть несколько больше ее вследствие влияния теплопроводности.
Толщину нагреваемого слоя можно регулировать путем изменения частоты тока, питающего индуктор: с увеличением частоты глубина нагрева уменьшается.
13
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ.
В результате скоростного нагрева поверхностного слоя изделия с немедленным быстрым его охлаждением происходит поверхностная закалка. Глубина закалки определяется толщиной слоя, нагретого выше критических точек. Под закаленным слоем сохраняется исходная структура стали.
Важной особенностью закалки с нагревом ТВЧ является получение высокой поверхностной твердости на массивных изделиях из нелегированных или низколегированных сталей, обладающих малой прокаливаемостью.
Продолжительность высокочастотного индукционного нагрева стали под закалку составляет несколько секунд, а скорость нагрева - сотни градусов в секунду. При таких условиях процессы образования аустенита не успевают завершиться к моменту достижения обычных закалочных температур, характерных для медленного нагрева в печи. Поэтому при закалке с нагревом ТВЧ его температура должна быть повышена в тем большей мере, чем быстрее происходит нагрев выше точки Кюри.
14
Повышение температуры аустенитизации вызывает увеличения глубины закаленного слоя при неизменных частоте и скорости нагрева, что обусловлено влиянием теплопроводности.
Закалке с индукционным нагревом подвергают углеродистые или низколегированные стали, содержащие от 0.15...0.20 до 1.1... 1.2 % углерода, но преимущественно используют стали с 0.4...0.7 % С.
Охлаждение при поверхностной закалке может осуществляться как путем погружения нагретого изделия в воду или масло, так и водным душем или потоком воды.
Микроструктура закаленного слоя отличается повышенной мелкозернистостью (зерно не ниже № 11...12) и, следовательно, высокой дисперсностью мартенсита.
Отпуск поверхностно-закаленных изделий либо проводят в печи при 150...250 °С, либо применяют самоотпуск.
Поверхностная закалка с низким отпуском обеспечивает благоприятное сочетание механических свойств изделий.
15
КОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВ
Нагрев длинных изделий или заготовок постоянного поперечного сечения может производиться электрическим током промышленной частоты. Контактный электронагрев применяют для скоростной закалки, скоростного отпуска, а также для нормализации или рекристаллизационного отжига.
При изготовлении высокопрочной проволоки находит применение скоростная электротермическая обработка (СЭТО),
(закалка + отпуск). СЭТО проволоки из сталей с 0.25...0.40 % углерода заключается в нагреве под закалку до 1040... 1080 °С со скоростью около 1500 град/с, охлаждении водой и отпуске, проводимом при нагреве со скоростью 800 град/с до 530 °С. Применение такого режима обработки позволяет получить прочность холоднодеформированной проволоки на уровне, достигаемом при патентировании и волочении сталей с 0.5...0.6 % углерода.
При нагреве изделий ограниченной длины (труб, прутков, полос) их концы, закрепленные в контактах, не нагреваются до заданной температуры и должны быть удалены.
16
НАГРЕВ ПЛАМЕНЕМ ГОРЕЛКИ
Поверхностный нагрев под закалку единичных крупных изделий можно осуществить высокотемпературным пламенем газовой горелки. Для этой цели чаще применяют ацетилено-кислородное пламя с температурой 2400...3200 °С. Факел горелки направляют на обрабатываемую поверхность и перемещают вдоль нее с таким расчетом, чтобы получить глубину прогрева выше критических точек в пределах от 5 до 10 мм. Вслед за горелкой перемещается закалочное устройство, охлаждающее нагретый слой струей воды.
Глубина нагретого слоя и распределение температуры в нем зависят от режима работы горелки, расстояния от горелки до закалочного устройства. Как правило, при нагреве пламенем поверхностный слой закаливаемой зоны оказывается перегретым. Вероятность и степень перегрева возрастают при уменьшении глубины закалки, так как это требует интенсификации нагрева.
Недостатки метода нагрева пламенем ограничивают его применение. Он используется в условиях ремонтных мастерских, а также в тех случаях, когда применение индукционного или лазерного
нагрева затруднено или экономически нецелесообразно. |
17 |
ЛАЗЕРНЫЙ НАГРЕВ
Лазеры, или оптические квантовые генераторы – это устройства, генерирующие когерентное электромагнитное излучение в диапазоне от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра (длина волны от 0.1 до 300 мкм). Источником излучения является активная среда, которая может быть твердой, жидкой или газовой.
В промышленности для технологических целей широко применяются лазеры, в которых основной компонент активной среды
– углекислый газ (СО2-лазеры). Мощность излучения промышленных
лазеров непрерывного действия обычно составляет от 1 до 5 кВт. Излучение СО2-лазера невидимо (длина волны 10.6 мкм). При
термической обработке диаметр фокального пятна составляет от 1 до 20…30 мм и увеличивается с повышением мощности излучения.
Значительная часть потока лазерного излучения, падающего на поверхность металла, отражается. Для уменьшения коэффициента отражения обрабатываемую поверхность подготавливают, нанося различного рода покрытия и оксидные пленки.
18
Высокая плотность мощности излучения (103...106 Вт/см2) обеспечивает чрезвычайно быстрый нагрев поверхностного слоя со скоростями до 105...106 град/с. Перенос теплоты в более глубокие слои металла происходит путем теплопроводности со значительно меньшей скоростью. При плотности мощности излучения порядка 105…107 Вт/см2 происходит расплавление тонкого поверхностного слоя, поэтому лазерная термическая обработка может проводиться как без оплавления поверхности, так и с ним.
Структура стали 10 после лазерной закалки без оплавления
(а) и с оплавлением (б), х120
19
Глубина лазерного нагрева обычно составляет 2…2,5 мм. Вследствие очень малой длительности нагрева более глубокие слои практически не прогреваются, поэтому охлаждение после лазерного нагрева происходит путем отвода тепла в глубинные слои теплопроводностью. Скорость охлаждения поверхностных слоев оказывается очень высокой и может достигать 106 град/с.
Лазерный нагрев применяют главным образом для поверхностной закалки, но он может быть использован и для отжига. При расплавлении поверхностного слоя легко можно осуществить поверхностное легирование или лазерную наплавку.
20