11.4.1.4.Некоторые практические рекомендации по назначению длительности времени выдержки

Практикой установлено, что продолжительность выдержки при температуре закалки деталей из углеродистой стали, имеющих размеры сечения от 25 до 200 мм и нагреваемых в пламенных печах с температурой на 10…30 град выше заданной температуры закалки, составляет примерно ¼ от времени нагрева. При нагрева этих же деталей в соляной ванне длительность выдержки составляет ½ от времени нагрева. Для легированной стали продолжительность выдержки увеличивается на 25…40 %. При нагреве под закалку и отпуск деталей из стали марок типа 30ХГСА, 12ХН3А, 40ХНВА, 40ХНМА в электрических камерных и шахтных печах продолжительность выдержки можно определять по данным табл. 11.92, если детали размещаются в печи рассредоточено. В момент загрузки холодных изделий в нагретую камеру или шахтную печь ее температура падает и затем повышается по мере нагрева изделий.

Таблица 11.92

Время выдержки при нагреве под закалку и отпуск стальных

деталей в камерных и шахтных электропечах

При этом обычно контролируют температуру не на­греваемых изделий, а рабочего пространства печи. Соответственно вре­мя выдержки, приведенное в табл. 11.92, отсчитывается с момента достиже­ния в печи требуемой температуры. Условная толщина детали опреде­ляется как произведение фактической толщины детали (ее стенки) на коэффициент формы детали. Этот коэффициент для деталей, имеющих форму шара или куба, равен 0,75; для прутков с круглым или квадрат­ным сечением 1,0; для прутков с прямоугольным сечением при соотно­шении его сторон 1:2 составляет 1,5; для пластин — 2,0; для труб — от 4,0; для длинных труб или труб с закрытыми концами до 2,0; для корот­ких труб с открытыми концами; для профилей — 1,5 при отношении тол­щины полки к ширине 1:2,— 1,75 при отношении толщины полки к ши­рине от 1:3 до 1:4 и 2,0 при отношении толщины полки к ширине мень­ше 1:4.

Время выдержки указанных деталей из легированной машинострои­тельной стали при нагреве под закалку в соляной ванне определяется из расчета 2,5 мин плюс 1/3 мин на 1 мм условной толщины.

Время выдержки при отпуске деталей в соляной ванне можно уста­навливать так: для отпуска при температуре ниже 300 °С 2 часа, для отпуска при температуре 300…400 °С от 15 до 25 мин, для отпуска при температуре выше 400 °С 3 мин плюс 0,2 мин на 1 мм условной тол­щины.

Продолжительность выдержки при диффузионном отжиге (гомоге­низации) стальных отливок и слитков из цветных сплавов зависит от химического состава и характера их первичной структуры и часто до­стигает нескольких десятков и более часов. Такая длительная выдерж­ка необходима для развития диффузионных процессов и получения требуемой степени однородности отливок или слитков.

При цементации и азотировании длительность выдержки опреде­ляется требуемой глубиной цементированного или азотированного слоя. В случае цементации на глубину более 1 мм в твердом карбюризаторе при 900…920 °С на каждые 0,1 мм цементованного слоя необходим 1 час выдержки от момента нагрева изделий до заданной температуры. Если общая глубина заданного слоя менее 1 мм, то выдержка должна быть по одному часу на каждые 0,15 мм. При цементации в газообразном карбюризаторе время выдержки сокращается на 30…40 % по сравнению с твердым карбюризатором.

В случае азотирования при температурах 500…520 °С длительность выдержки определяется из расчета на каждые 0,1 мм глубины азотированного слоя 10 ч выдержки после достижения изделиями заданной температуры.

Применение более высоких температур, а также нагрева с помощью токов высокой частоты (т.в.ч.) позволяет снизить время выдержки и сократить общую длительность процесса химико-термической обработки. Например, при нагреве стали 30ХГТ до1050 °С в установке т.в.ч. для цементации на глубину 0,8…1,0 мм требуется всего лишь 45…60 мин.

Указанные выдержки ориентировочны и должны устанавливаться в зависимости от марки стали, активности среды и условий нагрева.

Скорость охлаждения. Наименьшая скорость охлаждения применяется при отжиге и в ря­де отдельных случаев при термической и химико-термической обработ­ке. Например, при азотировании охлаждение изделий под током аммиа­ка производят медленно до 200 °С. При отжиге и отпуске крупных поко­вок или слитков с целью снижения напряжений также производят мед­ленное охлаждение после выдержки при заданной температуре.

Наибольшая скорость охлаждения устанавливается при закалке. Для каждой данной стали она зависит от величины критической ско­рости закалки, т. е. от химического состава стали. Для легких и тяже­лых жаропрочных сплавов скорость охлаждения при закалке должна быть такой, чтобы пересыщенный при высокой температуре твердый раствор не распадался при охлаждении, а сохранялся до нормальной температуры. Необходимая скорость охлаждения деталей при закалке обеспечивается выбором соответствующей закалочной среды и созда­нием искусственной циркуляции. Например, масло охлаждает в 5-7 раз медленнее, чем вода; 10…15 %-ный водный раствор поваренной соли охлаждает в 2-3 раза быстрее, чем чистая вода. Скорость охлаж­дения при закалке зависит также от размеров изделий. Крупные сталь­ные поковки охлаждаются от температуры закалки до 150…200 °С в те­чение довольно значительного времени: они находятся в закалочных баках от нескольких минут до десятков и более минут.

Равномерность нагрева и охлаждения. Точность показателей термообработки определяется разбросом температур по сечению изделия или садки в установленный отре­зок времени. Она во многом зависит от равномерности нагрева и охлаждения изделий. Однако понятие равномерности технологи­ческого воздействия при термообработке относительно. Косвенный нагрев по своей природе основан на наличии перепада температур по сечению изделия. Равенство температур отдельных участков из­делия указывает на отсутствие теплового потока между ними, а значит, и па отсутствие самого нагрева. Таким образом, одинаковая температура всех точек изделия при косвенном нагре­ве в принципе невозможна.

Под равномерностью нагрева (охлаждения) следует по­нимать степень одинаковости поглощения (отдачи) теплоты всеми поверхностями изделия и равномерность движения теплового потока от поверхностей к сердцевине (от сердцевины к поверх­ности).

В крупных изделиях сложной формы, имеющих тонкие выступы, выемки, резкие переходы сечений, различную толщину стенок трудно достичь равномерного нагрева и охлаждения. Например, вершина зуба колеса при закалке охлаждается в 2 раза быстрее впадины и в 10-15 раз быстрее втулки колеса, особенно если в ней предварительно не изготовлено отверстие (рис. 11.55). И чем ин­тенсивнее тепловое воздействие, тем большая неравномерность на­грева будет иметь место.

Повышения равномерности нагрева (охлаждения) изделий сложной формы достигают следующими мероприятиями:

– понижением температуры процесса;

– многостадийным нагревом (охлаждением), каждая стадия ко­торого (подогрев, нагрев, подстуживание и др.) осуществляется с выдержкой для выравнивания температуры по сечению из­делий;

– подводом при нагреве к различным по массе и размерам участкам (отводом при охлаждении) неодинакового количества теплоты, для чего около различных участков поддерживают неодинаковую температуру;

– особой ориентацией изделия по отношению к направлению дви­жения среды (теплоносителя), чтобы массивные участки были по­верхностью обращены фронтально к движению этой среды и на­гревались с такой же скоростью, как и тонкие участки;

– использованием компенсирующих и загораживающих приспо­соблений, которые сглаживают резкие переходы и различия сече­ний отдельных участков.

При нагреве до высоких температур с использованием лучисто­го теплообмена (в электропечах) трудно обеспечить всесторонний и равномерный нагрев изделий сложной конфигурации, особенно в плотно уложенной садке. С целью повышения равномерности на­грева таких садок используют печи на газовом топливе, в которых горелки и газовые каналы расположены так, чтобы изделия в садке интенсивно и все­сторонне омывались раскаленными печны­ми газами.

Способы охлаждения изделий при за­калке. Скорость охлаждения при закалке регулируют подбором соответствующего со­става охладителя, скоростью и направле­нием его движения, перемещением (враще­нием, покачиванием) самих изделий. Соче­танием указанных способов достигают:

– сбива паровой оболочки (пленки) с по­верхностей изделий, препятствующей отво­ду теплоты;

– неодинаковой скорости охлаждения в различные стадии закалки: быстрой — в начале и медленной — в конце;

– точного регулирования в широких пре­делах скорости и равномерности охлажде­ния при закалке (так, при встречном движении охладителя и самих изделий скорость охлаждения возра­стает, а при совпадении направлений скорость снижается);

– максимального сокращения периода (стадии) пленочного ки­пения закалочной жидкости и регламентированного охлаждения с получением сравнительно низких температурных перепадов по се­чению изделий, позволяющих снизить их коробление.

Для повышения технологичности некоторые изделия предвари­тельно подготовляют для закалки. Так, на тонкие участки, опас­ные в отношении образования трещин, вследствие слишком быст­рого охлаждения надевают компенсирующие приспособления или их обматывают асбестом.

При закалке передаточными партиями изделия располагают на приспособлении (поддоне, сетке, корзине, подвеске и др.) или на транспортере с такой плотностью укладки, чтобы обеспечивалось равномерное (индивидуальное) охлаждение каждого изделия.

Изделия сложной формы с наличием тонких стенок, обладаю­щие в нагретом состоянии малой жесткостью, закаливают в зака­лочных машинах, прессах, в зажимных дисках и других приспо­соблениях.

Равномерность охлаждения зависит и от способа погружения изделий в охлаждающую среду. Для достижения равномерного охлаждения массивные участки изделия погружают первыми, что­бы они быстрее охлаждались и более длительное время находились в охладителе, чем тонкие участки (рис. 11.56а).

Во избежание коробления длинномерные изделия, например винты, сверла, прутки, оси, погружают в жидкость вертикально. Плоские и тонкие изделия (диски, листы и др.) погружают реб­ром. Кольца, цилиндрические пружины, цилиндры с тонкими стенками опускают вертикально, осью перпендикулярно зеркалу жидкости (рис. 11.56б). Длинномерные изделия с несимметричной формой поперечного сечения опускают под углом с обращением массивной стороной сечения вниз (рис. 11.56в).

Рис. 11.56. Способы погружения изделий в охладитель при закалке

Чтобы вносимый с изделиями воздух, а также образующиеся в результате кипения жидкости пары и газы не скапливаются в выемках и несквозных отверстиях, а свободно выходили наружу, изделия погружают выемками и отверстиями вверх или охлаждение их производят с помощью душирующих устройств, мощные струи из которых вытесняли бы из указанных отверстий и выемок воздух, пары и газы. Изделия сложной конфигурации ориентируют так, чтобы образующиеся пары и газы не задерживались около поверхностей изделий, а свободно поднимались вверх.