RU2845448C1 - Способ закалки легированных конструкционных и инструментальных сталей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в частности может быть использовано для осуществления закалки заготовок и деталей мелких и средних размеров, изготовленных из легированных конструкционных и инструментальных сталей. Способ закалки легированных конструкционных и инструментальных сталей включает охлаждение нагретых и выдержанных в термическом оборудовании деталей в камере с помощью водовоздушной смеси, генерируемой посредством распыления жидкости под давлением через форсунки, дополнительно распыление обеспечивают через двухфазные форсунки, для охлаждения используют управляемый и регулируемый поток водовоздушной смеси одновременно с управляемым ламинарным потоком воздуха, организованным воздушными форсунками и вытяжным канальным вентилятором, причем направление общего потока охлаждающей смеси осуществляют снизу и с боковых граней вверх. Техническим результатом является равномерная закалка без деформации мелких и средних деталей из легированных конструкционных и инструментальных сталей. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в частности, может быть использовано для осуществления закалки заготовок и деталей мелких и средних размеров, изготовленных из легированных конструкционных и инструментальных сталей.

Известно, что водовоздушная смесь является предпочтительной средой для закалки легированных конструкционных и инструментальных сталей, так как за счет соотношения воды и воздуха в охлаждаемом потоке можно регулировать скорость охлаждения детали, и в отличии от закалки в индустриальное масло, процесс исключает вредные факторы производства и сокращает технологический процесс закалки за счет отсутствия в необходимости операций транспортировки, промывки, обезжиривания и сушки закаленных деталей. Поэтому данная технология в настоящее время широко представлена, например, по патентам US 10041140 от 07.08.2018 г., FR 2940978 от 16.07.2010 г., ЕР 2376662 от 19.10.2011 г., ЕА 6413 от 29.12.2005 г., WO 2010/079452 от 15.07.2010 г., SU 619524 от 15.08.1978 г., RU 2702524 от 08.10.2019 г., RU 2354712 от 10.05.2009 г., RU 2353669 от 27.04.2009 г., где в качестве закалочной среды также используется водовоздушная смесь, сформированная путем смешения воздуха и подогретой до 80-90 градусов воды, и подаваемой в качестве закалочной среды спреерным устройством.

Общим недостатком вышеперечисленных способов следует отметить реализацию подогрева жидкости до температуры, близкой к температуре кипения. Так как известно, что подогретая вода способствует снижению скорости теплообмена на первой стадии охлаждения (стадия пленочного кипения), что неизбежно снижает качество и полноту закалки детали (Л.В. Петраш. «Закалочные среды». МАШГИЗ Москва 1959 г.). В приведенных аналогах используется не подогретая вода, а нагретая водовоздушная смесь, которая склонна к еще большему замедлению скорости охлаждения закаливаемой детали. Свидетельством вышеизложенному служит пример автора из патента RU 2353669, где после закалки стали 60С2 достигается твердость до 50 HRC. Согласно ГОСТ 14959-2016 («Металлопродукция из рессорно-пружинной нелегированной и легированной стали. Технические условия». Приложение Г. стр. 23) твердость на поверхности данной стали после закалки в масло должна варьироваться в диапазоне 60-65 HRC. Этот факт подтверждает недостаточность скорости охлаждения подогретой водовоздушной смеси и, тем самым, недостижимость необходимого качества закалки предлагаемым методом относительно традиционного способа закалки в масло.

Известен способ закалки водовоздушной смесью крупногабаритных штампов по патенту RU 2773549 от 06.06.2022 г., «Способ водовоздушной закалки крупногабаритных штампов с заданным перераспределением структур по сечению от рабочей поверхности к хвостовику».

К недостаткам данного способа следует отнести сложность конструкции, необходимость регулировать режимы охлаждения в процессе закаливания, невозможность закаливания штампов другой конфигурации из-за того, что отдельные области штампа охлаждаются водовоздушной смесью, а другие - сжатым воздухом.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран «Способ закалки длинномерных изделий из алюминиевых сплавов» по патенту RU №2109840 от 27.04.1998 г.

В данном способе детали, нагретые под закалку, после выдержки помещают в камеру охлаждения, в которой охлаждение осуществляют в среде водовоздушной смеси, генерируемой путем распыления жидкости под давлением через форсунки сверху-вниз. В последствии отработанная водовоздушная смесь разделяется на жидкостную и газовую составляющие, из которых газовую сохраняют в замкнутом объеме установки для дальнейшего использования. Жидкую составляющую (конденсат) удаляют из агрегата в замкнутую жидкостную систему, где охлаждают и вновь подают на изделия. Для восполнения неизбежных потерь в жидкостной системе устанавливают бак.

К недостаткам прототипа следует отнести следующее:

1. При контакте водовоздушной смести с раскаленным металлом образуется паровая рубашка, замедляющая скорость охлаждения закаливаемого металла. Чтобы обеспечить удаление пара с контактной поверхности необходимо повышать давление водовоздушного потока, направленного на охлаждаемую деталь. С повышением давления увеличивается скорость потока, и тем самым, неизбежно появляются зоны с завихрением (турбулентностью) потока за счет общего воздушного сопротивления в рабочем пространстве, а также преград в виде элементов конструкции и деталей. Турбулентные потоки способствуют зональному снижению скорости охлаждения металла и тем самым, снижению качества (равномерности) закалки.

2. Водовоздушная смесь предполагает выход из форсунок охлаждаемой массы под высоким давлением и является генератором скорости потока, движущегося по всей системе. С аэродинамической точки зрения очевидно, что любые конструктивные выступы и охлаждаемые детали будут вызывать сопротивление движению потока, что в свою очередь будет способствовать образованию турбулентности. Чтобы компенсировать влияние сопротивления движению потока необходимо увеличивать мощность форсунок и давление подачи закаливающей смеси.

3. В прототипе подача охлаждающего потока обеспечивается сверху. Это вызвано конструктивными особенностями системы подачи разогретых деталей из нагревательной камеры в камеру охлаждения. Однако пар, образуемый от контакта с разогретым металлом будет направляться вверх, что вызовет смешивание пара с потоком водовоздушной смеси. Это спровоцирует дополнительное сопротивление движению закаливающего водовоздушного потока, неравномерный состав потока и в результате неравномерную скорость охлаждения по поверхности закаливаемого изделия.

Предлагаемый способ устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом настоящего изобретения является равномерная закалка без деформации мелких и средних деталей из легированных конструкционных и инструментальных сталей.

Технический результат достигается тем, что в способе закалки легированных конструкционных и инструментальных сталей, включающем охлаждение нагретых и выдержанных в термическом оборудовании деталей в камере с помощью водовоздушной смеси, генерируемой посредством распыления жидкости под давлением через форсунки, дополнительно распыление обеспечивают через двухфазные форсунки, для охлаждения используют управляемый и регулируемый поток водовоздушной смеси, одновременно с управляемым ламинарным потоком воздуха, организованным воздушными форсунками и вытяжным канальным вентилятором, причем направление общего потока охлаждающей смеси осуществляют снизу и с боковых граней вверх.

Суть предлагаемого способа поясняется фигурами 1-3, где:

Фигура 1 - принцип реализации способа закалки;

Фигура 2 - схема электроэрозионной резки и внешний вид образца цилиндрической формы;

Фигура 3 - схема электроэрозионной резки и внешний вид образца сложной формы.

На фигуре 1 схематически показан вариант устройства, позволяющего осуществить принцип реализации предлагаемого способа закалки. Данное устройство, включает в себя: камеру (1) для закалки, каплеотделители (2), вытяжной канальный вентилятор (3), сепаратор влаги (4) с трубопроводом (5) отработанного воздуха, каналы (6) для сбора капель воды, накопитель (7) для воды, трубопровод с фильтрующим элементом (8) для транспортирования воды в резервуар, резервуар с водой (9), источник сжатого воздуха (10).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Изделия по одному или россыпью, после нагрева и выдержки в термическом оборудовании в сетчатом поддоне, помещают в камеру 1 закалки через окно загрузки/выгрузки. Камера 1 закалки состоит из системы двухфазных форсунок (на фигуре не показаны), расположенных в нижней и на двух противоположных боковых плоскостях камеры. Через двухфазные форсунки под давлением генерируется поток водовоздушной смеси (с дисперсностью капель 5-50 мкм), причем форсунки расположены по бокам таким образом, чтобы обеспечить «омываемость» как минимум 90% поверхности детали. Также группа воздушных форсунок расположена в нижней части камеры 1. Изделия, помещаемые в камеру 1 с целью закалки, контактируют с потоком водовоздушной смеси, направленным ламинарно снизу-вверх относительно закаливаемого изделия. Ламинарность потока обеспечивают воздушные форсунки и вытяжной канальный вентилятор 3, направляющий поток снизу вверх и выполняющий роль вытягивания потока из камеры 1 закалки. С целью снижения подачи воздуха через окно загрузки/выгрузки, воздушные форсунки, подающие воздушный поток от источника сжатого воздуха 10, настроены таким образом, чтобы суммарная производительность всех задействованных форсунок соответствовала производительности вытяжного канального вентилятора 3. При выполнении этих условий осуществляется равномерное «омывание» изделий снизу и с боковых граней вверх потоком водовоздушной смеси под регулируемым давлением от 0,5 до 4 Бар. При этом за счет обеспечения ламинарности потока осуществляется оперативный приток водовоздушной смеси и эффективный отвод пара, образованного на границе раздела поток - охлаждаемый металл и препятствующего его охлаждению. В дальнейшем, поток водовоздушной смеси разделяется на жидкость и газ при помощи нескольких каплеотделителей 2 и сепаратора 4. Жидкостная составляющая, отделившаяся из водовоздушного потока, собирается в накопитель 7 по каналам 6. По завершении процесса закалки вода из накопителя 7 через фильтрующий элемент трубопровода 8 перемещается в резервуар 9. Газовая составляющая выводится через трубопровод 5 за пределы установки. Источник сжатого воздуха 10 может быть, как централизованным, подаваемым через регулятор давления, так и в виде компрессора, мощность которого подбирается в зависимости от размеров рабочего пространства камеры 1 для закалки и массогабаритных параметров закаливаемых деталей. По этим же параметрам определяется мощность вытяжного канального вентилятора 3.

Управление режимами подачи водовоздушной смеси организовано на стационарном пульте (на фигуре не показан), где установлены дроссели для регулировки и подачи сжатого воздуха, устройство регулировки оборотов вентилятора и жидкости на форсунки.

Поток охлаждаемой водовоздушной смеси в тандеме с ламинарно направленным воздушным потоком обеспечивает более глубокое проникновение водовоздушной смеси к удаленным от края поверхностям охлаждаемых деталей и эффективное удаление паровой рубашки, за счет чего увеличивается скорость охлаждения деталей на первой стадии охлаждения закаливаемой детали, т.е. стадии пленочного кипения (Л.В. Петраш. «Закалочные среды». МАШГИЗ Москва 1959 г. стр. 9).

Это подтверждается, например, результатами измерений твердости образцов из стали 40Х цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой 50 мм, и сложной формы того же диаметра и высоты. После закалки в масло и предлагаемым способом образцы подвергались электроэрозионной резке. Форма образцов для испытаний и схема их резки, представлены на фигурах 2 и 3, для цилиндрического и сложно вида соответственно.

После электроэрозионной резки проводились измерения твердости в направлении от поверхности к центру образцов, закаленных стандартным (в масло) и предлагаемым способами с дальнейшим сравнением результатов.

По итогам измерения выявлено, что образцы имели относительно идентичную твердость в поверхностном слое, а в сердцевине твердость образца, закаленного в масло, соответствовала значениям 37 HRC, что соответствует значениям полос прокаливаемости согласно ГОСТ 4543-2016 («Металлопродукция из конструкционной легированной стали». Приложение А обязательное). Сердцевина образца, закаленного предлагаемым способом, соответствовала значениям 48 HRC. Учитывая, что на поверхности детали скорость охлаждения всегда выше, чем в сердцевине, а также то, что скорость охлаждения сердцевины увеличивается с повышением градиента температур на поверхности и в сердцевине металла (Л.В. Петраш. «Закалочные среды». МАШГИЗ Москва 1959 г. стр. 17), следует, для того чтобы обеспечить скорость охлаждения сердцевины образца из легированной стали, соответствующей критической скорости закалки, сердцевину необходимо ускоренно переохладить до температуры, близкой температуре мартенситного превращения поверхности, тем самым обеспечить максимальную теплоотдачу из центра сечения образца. При дальнейшем охлаждении поверхность металла с одной стороны претерпевает охлаждение от взаимодействия с охлаждающей водовоздушной смесью, а с другой стороны подогрев за счет переноса тепла от сердцевины образца к поверхности. Поэтому в данном случае охлаждение поверхности будет замедленно, что обеспечивает равномерность закалки легируемых конструкционных сталей.

Результаты измерений твердости свидетельствуют о том, что в сердцевине образца, закаленного предлагаемым способом скорости охлаждения выше, чем при закалке в масло. Тогда как твердость на поверхности образцов практически одинаковая. Эти результаты свидетельствуют о том, что в предлагаемом способе в момент закалки скорости охлаждения в стадии пленочного и пузырькового кипения выше, чем при традиционной закалке в масло, а в интервалах температур мартенситного превращения (третья стадия охлаждения - стадия конвекции) скорость охлаждения обоих образцов практически одинаковая.

Аналогичные результаты были получены при сравнительной закалке образцов сложной формы где определено, что предлагаемый способ менее чувствителен к областям с переходами сечений и с наличием зон с концентрацией внутренних напряжений.

Таким образом, резюмируя вышесказанное, использование заявленного способа в процессе закалки снижает уровень негативного влияния тепловых напряжений на коробление и трещинообразование, что обеспечивает равномерное распределение по сечению закалочных напряжений, и соответственно, равномерную закалку без деформации мелких и средних деталей из легированных конструкционных и инструментальных сталей.

Claims (1)

1. Способ закалки легированных конструкционных и инструментальных сталей, включающий охлаждение нагретых и выдержанных в термическом оборудовании деталей в камере с помощью водовоздушной смеси, генерируемой посредством распыления жидкости под давлением через форсунки, отличающийся тем, что распыление обеспечивают через двухфазные форсунки, для охлаждения используют управляемый и регулируемый поток водовоздушной смеси одновременно с управляемым ламинарным потоком воздуха, организованным воздушными форсунками и вытяжным канальным вентилятором, направление общего потока охлаждающей водовоздушной смеси осуществляют снизу и с боковых граней вверх.