Закалка в кипящем слое инструментальных сталей

Закалка в кипящем слое инструментальных сталей — это процесс, при котором создаются значительные напряжения, вызывающие деформацию, а иногда и трещины, особенно в инструменте сложной конфигурации.

Закалка в кипящем слое (термообработка в кипящем слое)

Закалка в кипящем слое — это термическая обработка во взвеси мелких твердых частиц (кварц, песка, карборунда, графита и др.) в потоке воздуха или другого газа; характеризуется исключительно высоким коэффициентом теплоотдачи [400-500 Вт/(м2•К)], поскольку тепло от теплоносителя передается изделию в условиях интенсивного перемешивания частиц, прямо контактирующих с поверхностью изделия. Нагрев в кипящем слое обеспечивает высокую равномерность распределения температур в объеме изделия и применяется при термической обработке изделий простой конфигурации и небольшого сечения, для которых время нагрева зависит только от коэффициента теплоотдачи;

В последнее время для термической обработки применяют новую охлаждающую среду — кипящий слой [1-3], который обладает высоким коэффициентом (теплообмена (200-1000 ккал/м2·ч·град и более) и дает возможность бесступенчатого регулирования скорости нагрева и охлаждения. Одним из преимуществ кипящего слоя является меньшая деформация деталей при закалке, чем при закалке в других средах [1-3]. Однако сведений по закалке в кипящем слое инструмента пока нет.

Целью настоящей работы было опробование кипящего слоя в качестве закалочной среды для инструмента из сталей Р18 и Х12М.

Схема кипящего слоя

Схема кипящего слоя представлена на рис. 1. В качестве материала кипящего слоя использовали электрокорунд № 12 с размером частиц 0,12-0,16 мм. Режим оптимального псевдоожижения слоя: скорость воздуха 0,22 м/сек, расход воздуха 350 л/мин. Максимальный коэффициент теплообмена слоя при данном режиме псевдоожижения составлял 405,5 ккал/м2·ч·град. Для охлаждения кипящего слоя стенки ванны имеют рубашку, в которой циркулирует холодная вода.

Схема ванны с кипящим слоем

Рис.1. Схема ванны с кипящим слоем:
1 — кипящий слой; 2 — сетчатая корзина; 3 — воздухораспределительная плита.

Охлаждающую способность слоя в сравнении с водой, маслом и расплавленной селитрой (при 300 °С) исследовали на цилиндрическом образце из стали Х18Н9Г1 (рис. 2). Температуру в центре и на поверхности образца измеряли хромель-алюмелевой термопарой. На боковой поверхности образца горячий спай термопары закернивали.

Образец для исследования кипящего слоя

Рис.2. Образец для исследования.

Температуру записывали электронным потенциометром ЭПП-09-ЗМ при скорости движения диаграммы 3600 мм/ч. Образец нагревали в печи Г-30 с защитной атмосферой до 1000 °С.

Из кривых охлаждения образца в различных средах (рис. 3) видно, что интенсивность охлаждения в кипящем слое приближается к интенсивности охлаждения масле.

Кривые охлаждения центра образца

Рис.3. Кривые охлаждения центра образца:
1 — в воде; 2 — в трансформаторном масле; 3 — в селитре (300 °C); 4 — в кипящем слое; 5 — на воздухе.

Температурные перепады по сечению изделий, которые вызывают внутренние напряжения, влияющие на деформацию изделия образование трещин, — существенный фактор при охлаждении металлов и сплавов. Анализ температурных перепадов по сечению образца, охлажденного в разных средах (рис. 4), показал, что при использовании кипящего слоя при всех температурах охлаждения перепад значительно меньше, чем при охлаждении в холодных жидких средах.

Температурный перепад по сечению образца

Температурный перепад по сечению образца

Рис.4. Температурный перепад по сечению образца:
а — в зависимости от температуры центра образца; б — в зависимости от времени охлаждения образца; 1 — охлаждение в воде; 2 — в масле; 3 — в селитре (300 °C); 4 — в кипящем слое; 5 — на воздухе.

Максимум температурного перепада при охлаждении в жидких средах наблюдается в области высоких температур, что особенно опасно для изделий сложной конфигурации.

Таким образом, внутренние напряжения при закалке в кипящем слое должны быть меньше, чем при закалке в жидких средах.

Типы кипящих слоев

Закалку в кипящем слое сталей Р18 и Х12М проводили на образцах диаметром 8 и длиной 150 мм. Для сравнения образцы (типы кипящих слоев) из указанных сталей закаливали также на воздухе, в масле и в расплавленной селитре при 300 °С. Образцы нагревали в лечи Г-30 с защитной атмосферой. Твердость, микроструктуру и деформацию определяли после закалки и после отпуска. За деформацию образцов принимали прогиб в средней части, который замеряли индикатором при установке образцов в центрах. Результаты измерений твердости и деформации приведены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что твердость образцов, закаленных в кипящем слое, не отличается от твердости образцов, закаленных в других средах.

Марка стали Закалка Отпуск
Температура в °С Охлаждающая среда HRC Деформация в мм Температура в °С HRC
Р18 1270 Воздух 61-61,5 0,18-0,28 560 (трехкратный) 61-62,5
Масло 60-61 0,30-0,37 62-62,5
Селитра при 300 °С 59,5-61 0,60-0,70 62-63,0
Кипящий слой 61-61,5 0,20-0,28 62-63,5
Х12М 1120 Воздух 46-48 0,06-0,13 500 (пятикратный) 60-61,5
Масло 46,5-48 0,15-0,20 61-61,5
Селитра при 300 °С 45,5-47 0,05-0,12 61-61,5
Кипящий слой 47-48 0,08-0,10 60-61,5
1000 Масло 62-63,5 0,07-0,17 150 62-63,5
Селитра при 300 °С 62,5-63 0,08-0,15 62,5-63,5
Кипящий слой 62-63 0,03-0,07 62-63

Максимальная деформация образцов из шли Р18 наблюдается при закалке в селитре при 300 °С, что по-видимому, связано с перераспределением углерода в аустените при изотермическом превращении его в мартенсит. Образцы, закаленные в кипящем слое и на воздухе, имеют меньшую деформацию, чем после закалки в масле. Образцы из стали Х12М, закаленные с 1120 и 1000 °С, также имеют меньшую деформацию после охлаждения в кипящем слое и на воздухе, чем после закалки в масле.

После отпуска закаленных образцов деформация во всех случаях не изменялась. В микроструктуре закаленных и отпущенных образцов не было различия.

Нагрев в кипящем слое

Нагрев в кипящем слое образцов из стали Р18, которые испытывали на красностойкость после нагрева при 600, 625, 650 и 675 °С в течение 4 ч. Результаты испытаний, приведенные в табл. 2, показывают, что красностойкость образцов, закаленных в кипящем слое, масле и селитре, одинакова, а образцов, закаленных на воздухе, — ниже.

Охлаждающая среда Твердость после термической обработки HRC HRC после нагрева 4 ч при температуре в °С
600 625 650 675
Кипящий слой 62..63,5 60..61 58,5..59 57..58 47,5..48
Масло 62..62,5 60..61 58..59 56..57 47..48
Селитра при 300 °C 62..63 60..61 58..59 57..58 46..48
Воздух 61,5..62 58..59 56..57 49..50 45,5..46

Испытания на прокаливаемость сталей Р18 и Х12М проводили на образцах сечением 25×25 мм и длиной 150 мм по методу Гудцова [4]. Образцы прокаливались на всю длину при закалке в масле и в кипящем слое.

Опробование закалки в кипящем слое одновременно с закалкой в масле и селитре различных видов инструмента из сталей Р18, Р9, Р18К5Ф2, Х12М и Х12Ф1 (сверла, протяжки, фрезы, метчики, резцы и др.) показало, что деформация инструмента, закаленного в кипящем слое, значительно меньше, чем после закалки в других средах при одинаковой твердости.

Инструмент под закалку нагревали в печи Г-30 с защитной атмосферой и в хлор-бариевой ванне. Инструмент, закаленный в кипящем слое, имел чистую поверхность. При использовании хлор-бариевой ванны наблюдалось налипание на поверхности инструмента частиц корунда, которые не оказывали существенного влияния на процесс охлаждения. Налипший слой частиц толщиной 0,2-0,3 мм легко удалялся протиркой или опескоструиванием после промывки инструмента от соли.

Эксплуатация инструмента, закаленного в обычных средах и в кипящем слое, показала одинаковую его работоспособность.

Выводы.

1. Охлаждающая способность кипящего слоя приближается к охлаждающей способности масла.
2. Температурный перепад по сечению охлаждаемых в кипящем слое деталей и их деформация значительно меньше, чем использовании обычных жидких сред.
3. Кипящий слой может быть успешной использован в качестве закалочной среды для высоколегированных инструментальных сталей.

В. П. КУРБАТОВ, В. И. МУРАВЬЕВ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 2. 1970 г.

Список литературы:

1. Варыгин Н. Н. «МиТОМ», 1961 № 6.
2. Вennet С., Jung С. «Metall Progress», 1961, v. 79, № 4.
3. Вrittain C. and others. «Metall Industry», 1963, v. 103, № 4.
4. Справочник «Металловедение и термическая обработка». М.: Металлургиздат, 1956.
Данная статьи была взята из этого ресурса.