2 Оборудование, материалы, наглядные пособия.

Муфельные печи и охлаждающие среды; образцы из углеродной стали У8, металлографические микроскопы, микрошлифы (темплеты, пресс Роквелла, плакаты диаграммы Fe-C (Fe-Fe₃C) и различных видов отпуска.

3 Порядок выполнения работы.

Начертить графики различных видов отпуска. Указать изменение структуры, происходящее при отпуске. Экспериментальные образцы нагреть в муфельных печах с различным интервалом времени и охладив на воздухе замерить твердость при различных режимах (низком, среднем, высоком) отпуска. Построить кривые зависимости твердости от температуры отпуска и времени выдержки при отпуске. Выполнить микроисследование стали в отожженном, закаленном среднем и высоком отпущенном состоянии.

4. Содержание отчета.

Начертить графики различных видов отпуска, замерить твердость образцов при различных выдержках и температурах отпуска. Построить график зависимости твердости от температуры и выдержки. Зарисовать и описать микроструктуру стали после отжига, закалки и отпуска.

Контрольные вопросы

1. Что такое отпуск, для каких целей он проводится?

2. При каких температурах проводят низкий, средний и высокий отпуск, какие получаются структуры?

3. В чем разница между трооститом и сорбитом отпуска и закалки?

4. Как называют высокий отпуск и почему?

5. Как охлаждаются стали (углеродистые, легированные) после выдержки при температуре отпуска?

6. Для каких деталей проводят низкий, средний и высокий отпуск?

7. Что такое отпускная хрупкость 1-го и 2-го рода?

Лабораторная работа № 12

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА С НАГРЕВОМ ТОКАМИ

ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: Ознакомиться с устройством высокочастотной установки ЛПЗ-67В. Ознакомиться с технологией поверхностной закалки стали. Выполнить эксперимент по определению температурно-временного режима при поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты. Исследовать твердость и микроструктуру по глубине стального образца после поверхностной закалки.

Краткие сведения из теории

Все детали, подвергаемые упрочняющей обработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие главным образом на износ. В этом случае упрочняющая обработка должна обеспечить лишь необходимые свойства поверхностного слоя (твердость, износостойкость и т.п.). Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки: растягивающие (сжимающие), изгибающие, крутящие, контактные.

Такие детали в свою очередь можно разделить на два класса. К первому классу относятся детали, в процессе эксплуатации нагружаемые на растяжение и сжатие. В них напряжения от рабочих нагрузок распределяются по сечению более, или менее равномерно. Поэтому для таких деталей применяют сквозное упрочнение.

Ко второму классу относятся детали, работающие на изгиб или кручение, либо при высоких контактных нагрузках. В них напряжения от прилагаемых рабочих нагрузок максимальны на поверхности и близки к нулю в центре поперечного сечения. Следовательно, для таких деталей сквозное упрочнение на высокую прочность не является обязательным. Для них, обычно, применяют поверхностное упрочнение (цементацию, азотирование, поверхностную закалку, пластическую деформацию и др.).

Одним из наиболее распространенных методов поверхностного упрочнения является поверхностная закалка. Существует большое разнообразие методов поверхностной закалки. При этом методы нагрева поверхностного слоя могут быть различными:

1) погружением в расплавленные металлы или соли – разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду. После нагрева детали охлаждают в воде или масле. Толщина закаленного слоя определяются временем выдержки в горячей среде. Недостаток – невозможность получения тонкого закаленного слоя;

2) пламенем ацетелено-кислородной или газовой горелки;

3) с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения. Интенсивность энергии настолько велика, что поверхность в течение нескольких долей секунд может быть нагрета до расплавления. Охлаждение поверхности после нагрева происходит за счет теплоотвода в глубь детали. Дополнительное охлаждение водой не требуется. Перемещая луч лазера по поверхности можно закаливать как отдельные участки детали, так и всю её поверхность. Этим способом можно закаливать внутренние поверхности детали, не закаливая её наружную поверхность. Глубина закаленного слоя регулируется временем, освещая её лазером. При таком способе закалки она может меняться от нескольких микрон до десятков и сотен микрон;

4) электротоком, индуктируемым в поверхностных слоях детали (так называемая закалка с нагревом токами высокой частоты - ТВЧ).

Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200^oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

Недостатки метода:

невысокая производительность;

сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

В настоящее время применяется преимущественно закалка с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ. Преимущества высокочастотного нагрева:

а) высокая производительность;

б) более высокие механические свойства, чем после обычной закалки;

в) отсутствие выгорания углерода и других элементов;

г) отсутствие заметного окисления и образования окалины;

д) минимальное коробление;

е) глубина закаленного слоя может довольно точно регулироваться.

Физические основы и особенности индукционного нагрева.

П

Рисунок 1. Схема индукционного нагрева

ри индукционном нагреве металлическое тело помещается в зону концентрированного магнитного поля проводника или катушки с переменным электрическим током (рисунок 1). При прохождении переменного тока по виткам катушки (индуктора) внутри нее создается магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению аналогично току. Переменное магнитное поле, пересекая при своих изменениях объемы металла, находящиеся в зоне действия поля индуктора, в соответствие с законом электромагнитной индукции возбуждает в их поверхностных слоях электродвижущую силу. Объект нагрева является электропроводником, поэтому индуктированная ЭДС, вызывает в нем переменный ток той же частоты, что и ток индуктора.

Тепловое действие индуктированного электрического тока вызывает нагрев части детали, находящейся в зоне действия переменного магнитного поля индуктора. Количество тепла можно подсчитать по формуле

Q = 0,24I ²Rτ,

где I - сила тока, А;

R - сопротивление проводника металла, Ом;

τ - время прохождения тока, с.

Таким образом, основным отличием индукционного нагрева от нагрева в печах является выделение теплоты непосредственно в зонах детали, подвергаемых воздействию переменного магнитного поля и электрического тока.

Это обусловливает высокую скорость нагрева и возможность осуществлять местный зональный нагрев. В теории индукционного нагрева доказывается, что ток индуктора I_u и мощность, выделяемая в нагреваемой детали Р_д связаны соотношением

,

где К - коэффициент, зависящий от размеров индуктора и нагреваемой детали;

 - удельное сопротивление, Омсм;

μ - магнитная проницаемость, Гс/э;

f -частота тока, Гц.

Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объеме нагреваемой детали значительную мощность (до 3...5 кВт/см³ ) и тем самым выполнять индукционный нагрев с большой скоростью – до 300...500 °С/с.

Рисунок 2 Схема технологического

процесса закалки ТВЧ

 

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (рисунок 2).

Поверхностный эффект. При переменном токе плотность тока в сечении проводника не одинакова. Ток протекает преимущественно по поверхностным слоям проводника, и при достаточно высоких частотах плотность тока в сердцевине ничтожно мала. Для упрощения количественного учета поверхностного эффекта вводят понятие об эквивалентной глубине проникновения тока. Считают, что ток протекает по поверхности проводника только в слое, равном глубине проникновения, и имеет на этой глубине равномерную плотность, а в более глубоких слоях изделия ток отсутствует.

Глубину проникновения тока (в см) подсчитывают по формуле

Нагрев током и нагрев теплопроводностью. В слое нагреваемого металла, равном глубине проникновения тока выделяется примерно 87% всей тепловой энергии, возбуждаемой в объекте нагрева, а остальные 13% возбуждаются в более глубоких слоях. В связи с этим без большой погрешности можно считать, что слой стали, равный по величине горячей глубине проникновения, нагревается непосредственно током, циркулирующим в нём, а более глубокие слои нагреваются в результате передачи теплоты от наружного активного токонесущего слоя.

Выбор частоты тока при индукционном нагреве. Ток высокой частоты для индукционного нагрева металла получают от специального машинного генератора (частота от 500 до 5000 и даже 15000Гц) или от лампового генератора (частота до I0000000 Гц). При выборе частоты тока необходимо обеспечить соблюдение, условий:

а) выбранная частота тока должна быть не меньше некоторого её значения f₁, ниже которого при данных размерах детали и индуктора возможен нагрев лишь до температуры, соответствующей потере сталью магнитных свойств (740...770°С). (Рис. 3).

б) желательно, чтобы выбранная частота тока была не меньше некоторого её значения f₂. При таких частотах КПД индуктора имеет достаточно высокое значение (0,7...0,8).

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает смещение фазовых превращений в область более высоких температур. Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем выше скорость нагрева, грубее выделения избыточного феррита в доэвтектоидных сталях. Например, сталь 40 при печном нагреве закаливается с температур 840–860 °С, при индукционном нагреве со скоростью 250 °С/с — с температур 880–920 °С, а при скорости нагрева 400 °С/с — с температур 930–980 °C.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.