Проект термического участка мощностью 900 т/год в условиях АО Завод РГТО

При поверхностной закалке  сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленной слое остаточных напряжений сжатия.

Индукционный нагрев сокращает длительность термической  обработки и создает условия  для автоматизации процесса и  обеспечивает возможность выполнения термической обработки непосредственно  в поточной линии механической обработки  без разрыва технологического цикла.

 

3.8.2 Особенности фазовых превращений при индукционном нагреве и закалке

 

 Превращение перлитно-ферритной структуры в аустенит при высокой скорости индукционного нагрева, как и при обыкновенном нагреве в печи, происходит диффузионным путем.

В результате благодаря  высокой скорости индукционного  нагрева аустенит получается чрезвычайно  мелкозернистым и неоднородным в отношении содержания углерода и других примесей. При значительном повышении температуры индукционного нагрева диффузия выравнивает содержание углерода  и примесей в аустените и происходит рост зерна аустенита. Обычно высокая скорость индукционного нагрева не позволяет полностью обеспечить завершение диффузионных процесссов в аустените,  и после закалки в мартенсите наблюдается некоторая пластинчатость, отвечающая исходному перлиту.

В результате высокочастотной  закалки получается чрезвычайно  мелкозернистый неоднородный мартенсит  с малозаметной игольчатостью, который  когда называют скрытокристалиическим  или безыгольчатым. Повышенная твердость, прочность и изностойкость такого скрытокристаллического мартенсита объясняется; 1) измельченностью его блоков мозаики и  обилием дислокаций; 2) наличием мельчайших карбидов; 3) мелкозернистостью исходного аустенита; 4) неоднородностью содержания углерода и примесей; 5) напряжениями сжатия на поверхности. 

 

3.9 Цементация

 

Цементация применяется для обеспечения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя, высокой прочности деталей при контактных, изгибающих и крутящих циклических нагрузках. Долговечность и надежность цементованных изделий и допустимый уровень их нагружения в эксплуатации определяется следующими параметрами: составом применяемой стали, толщиной и структурой цементованного слоя, наличием дефектов в слое, структурой и твердостью глубинных слоев и сердцевины.

 

3.9.1 Основные требования, предъявляемые к цементованным изделиям

 

Содержание углерода, твердость  и структура цементованного слоя. Эти параметры определяют износостойкость  изделий, а  также в значительной степени их контактную выносливость и сопротивление усталости при изгибе и кручении. Содержание углерода в поверхностном слое после насыщения должно составлять 0,8-1,0%. При меньшем уровне снижается контактная выносливость стали, при более высоком содержании возрастает хрупкость и снижается усталостная прочность изделий.

Твердость поверхности деталей  после цементации и термической  обработки должна быть в пределах 58-62 НRC.

Оптимальная структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит  с небольшими равномерно распределенными изолированными участками остаточного аустенита за исключением случаев специальной многократной термической обработки после цементации свидетельствует о недостаточном насыщении или плохих условий охлаждения при закалке. Недопустимы карбиды в виде сетки, а также крупные изолированные карбиды, т.к. при этом возрастает хрупкость стали.

Толщина дефектного слоя. Влияет прежде всего на контактную выносливость и усталостную прочность изделия и назначается в зависимости от размеров и условий эксплуатаций изделий. При малой толщине слоя возможно его продавливание при контактных нагрузках (бринеллирование), либо преждевременное усталостное разрушение ввиду недостаточной прочности стали во всей зоне действия высоких рабочих нагрузок. При излишне большой толщине слоя уменьшаются остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое свыше 0,4%. В ряде случаев, для наиболее тяжелонагруженных изделий толщину упрочнения оценивают по контрольной поверхности НV 540  и даже НV 600. Наиболее высокая усталостная прочность получается при толщине слоя 10-15% от толщины (диаметра) упрочняемого сечения.

На выбор толщины слоя оказывает  влияние и прочность сердцевины изделий. Так, при использовании  легированных цементуемых сталей с  повышенным содержанием углерода (до 0,3%) толщина цементованного слоя должна быть уменьшена.

Структура и твердость  сердцевины. Структура сердцевины должна состоять из малоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью НRC 29-43. Выделения феррита, особенно по границам зерен. Не допускаются, даже если твердость сердцевины находится в оптимальных пределах, т.к. в этом случае резко снижаются усталостная прочность изделий. При твердости сердцевины свыше НRC 43. что может при использовании стали с содержанием углерода свыше 0,3% снижается остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое и уменьшается усталостная прочность.

Дефекты структуры цементованного слоя. К ним относятся: образование немартенситного типа, появление сетки цементита, повышенное количество цементитных включений, остаточный аустенит при большом его содержании, анормальность структуры.

Дефекты в виде трооститной полосы или сетки в поверхностной  зоне либо по всей его толщине цементитного слоя является следствием недостаточного насыщения (пониженное содержание углерода в слое), недостаток скорости охлаждения при закалке (например вследствие слишком большой массы одновременно закаливаемых деталей), неправильного выбора стали.

Появление немартенситных составляющих связано также с внутренним окислением поверхностного слоя в результате диффузии кислорода из насыщающей атмосферы. При этом на нетравленых  шлифах в тонкой поверхностной зоне (толщина до 0,05мм) наблюдаются отдельные мелкие темные включения или цепочки из них. Твердый раствор обедняется легированными элементами, прокаливаемость в этой зоне снижается и появляются немартенситные составляющие в структуре.

В зоне внутреннего окисления значительно  снижается микротвердость, уменьшается  содержание остаточного аустенита. Резко снижается прочностные  свойства детали в особенности предел выносливости.

Механизм возникновения дефектной  структуры в связи  с внутренним окислением весьма сложен. В частности, в работах НИИТАвто (В.М.зинченко и др.) предлагается следующее объяснение:

На начальной стадии цементации (в течении ~ 1 ч.) тонкая поверхностная зона пересыщенна углеродом, по границам зерен образуется тонкая цементитная сетка: далее карбиды насыщенные кислородом и кремнием, что вызывает их окисление и графитизацию; образуются включения, представляющие собой смесь оксидов, графита и остатков карбидов. При этом твердый раствор обедняется углеродом и легированными элементами, в структуре появляются немартенситные продукты превращения аустенита.

Если изделие после цементации шлифовать, то дефектный слой, обусловленный внутренним окислением при этом удаляется. Если после цементации дополнительной механической обработки не проводят, то предупредить образование этого дефекта или ослабить его вредное влияние можно за счет использования сталей с пониженным содержанием хрома и марганца (не более 1% каждого), либо дополнительно легируя азотом в заключительной стадии процесса цементации. Азот повышает устойчивость аустенита и, соответственно прокаливаемость стали.

Рекомендуется также увеличивать  прокаливаемость поверхностной зоны за счет повышения концентрации углерода, для чего в конце процесса цементации предложено увеличивать углеродный потенциал насыщающей атмосферы, а в начальный период насыщения поддерживать его пониженным с целью уменьшения карбидообразования в этот период.

Сетка цеметита создает опасность образования шлифовочных трещин и выкрашивания слоя при работе изделий. Образование сетки предупреждают поддержанием требуемого углеродного потенциала атмосферы, либо ступенчаиым температурным режимом насыщения, который заканчивается при пониженной температуре (на 10-20ºС выше АС₁). Появление цементитной сетки может быть связано также с режимами последующей термообработки.

Повышенное содержание остаточного аустенита характерно для высоколегированных сталей с большим содержанием никеля и приводит к понижению твердости поверхностного слоя. Поэтому такие стали закалке непосредственно после насыщения  не подвергают, а используют более сложную термообработку, включающую промежуточный высокий отпуск и последовательные закалки с отдельного нагрева.

Стали для цементации. Для того, чтобы удовлетворить перечисленным требованиям стали должны обладать:

- закаливаемостью на твердость  HRC 29-43, что обеспечивается при содержании углерода не выше 0,3%;

- прокаливаемостью, обеспечивающей получение требуемой структуры сердцевины;

- наследственной мелкозернистстью, что позволяет использовать непосредственно  закалку с цементацией нагрева  или с подстуживанием. С этой  целью предпочтительны стали  выплавленные с добавками титана, ванадия, алюминия и другими элементами создающих эффект наследственной мелкозернистости;

- хорошей технологичностью при  механической обработке (резанием  и давлением);

- технологичностью при  насыщении и последовтельной  термообработке, которая характеризуется склонностью к насыщению и образованию дефектов цементитного слоя, а также возможностью применения наиболее простой последующей термической обработки (непосредственно закалка с охлаждением в масле). В этом отношении высоколегированные хромоникелевые стали уступают низколегированным, т.к. первые из-за опасности большого содержания аустенита остаточного не допускают непосредственной закалки с цементитного нагрева.

Подготовка изделия  к цементации. Изделия должны быть сухими и чистыми, без следов масла, жира, смазочно-охлаждающих жидкостей. Рекомендуется перед цементацией обезжиривать их в щелочной ванне (70 г/л едкого натра, 60 г/л тринатрий фосфата, 7 г/л жидкого стекла) при температуре 80ºС с последующей промывкой в горячей воде и сушкой горячим воздухом.

Контроль качества цементованных изделий. Толщина слоя определяется обычно на образцах-свидетелях изготовленных из той же стали и подвергнутых цементации и термической обработке по тем же режимам, что и детали. Толщину слоя оценивают по твердости или микроструктуре. В массовом производстве используют также неразрушающий контроль на приборах типа Бриро-Е(ВАЗ) по показаниям твердости при последовательном вдавливании алмазного конуса при двух нагрузках: 1850 Н и 10000 Н.

Твердость поверхности  и сердцевины, а также распределение  твердости по слою. Измерение твердости в различных зонах поверхности (НRC,  HV) проводят непосредственно в потоке обработки деталей. Твердость по сечению определяется в лаборатории на шлифах из цементованных деталей.

Микроструктуру проверяют в лаборатории на шлифах, приготовленных из цементованных деталей или образцов-свидетелей. В цементационном слое определяют дисперсность мартенсита, наличие и расположзение карбидов, остаточного аустенита и диффузионного слоя (сетка цементита, скопления карбидов, наличие троостита и др.)

Анализируют структуру  сердцевины, при этом основное внимание обращают на наличие феррита и его распределение. Содержание углерода определяется послойным химическим или спектральным анализ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Индуктор

 

Передачи энергии от источника питания в нагеваемое изделие при индукционном нагреве производится при помощи специального устройства – индуктора.

Индуктор изготовляют  обычно из медных трубок.Во время работы индуктор охлаждается проточной  водой. Форма и размеры индуктора  зависят от условий нагрева, величины и конфигурации нагреваемой поверхности, а также от мощности и частоты источника питания. От правильного расчета индуктора, выбора его формы и размеров зависит качество термической обработки. Индукторы в зависимости от того, какую поверхность имеет нагреваемая деталь делятся, на работающий звуковых частотах и радиочастотах.

Основные части любого индуктора – индуктирующий провод, токопроводящие шины, контактные колодки  для соединения индуктора с пониженным трансформатором и устройством  для подачи воды. На работу индуктора  влияет ширина индуктирующего провода, а также величина зазора между внутренней рабочей поверхностью индуктора и поверхностью нагреваемой детали.

 

 4.1 Расчет индукционной установки для нагрева под закалку

 

Закалке подвергаются вся  представленная номенклатура деталей. Поверхностной закалке подвергаются шестерни. Разработанные методы поверхностной закалки шестерен при индукционном нагреве позволяют более эффективно повышать конструктивную прочность

Расчет установки индукционного  нагрева включает тепловой расчет, в результате которого определяются время нагрева и требуемую  удельную мощность, и электрический  расчет, который позволяет найдти геометрические параметры индуктора, мощность, подводимую к индуктору, силу тока и напряжение на зажимах индуктора. 

Рассчитать индукционную установку для нагрева под закалку вала длиной 760мм. Толщина закаливаемого слоя х_к= 4 мм. Конечная температура = 850⁰С, начальная температура 20⁰С. Средняя теплоемкость материала изделия с_р = 0,690 кДж/кг*К, плотность ρ = 7800 кг/м³, коэффициент теплопроводности λ = 27,1 Вт/м*К.