Способ закалки цилиндрических изделий с осевым отверстием

 

СПОСОБ ЗАКАЛКИ ЦИПИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С ОСЕВШ ОТЙЕРСТИЕМ, включающий нагрев до температурЦ аустенизации и последую1чее охлаждение со стороны наружной поверхности и осевого отверстия, отличающийся тем, что, с целью предотвращения закалочных трещин, осевое отверстие предварительно заглушают , а охлаждающую среду в отверстие подают с момента достижения поверхностью отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

45 А

«<

; 7

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3677842/22-02 (22) 26.09.83 (46) 07.05.85. Бюл. Ж 17 (72) В.Е.Лошкарев, Г.Г.Немзер, В.А.Плеханов, П.Д.Хинский, Е.Ф.Зорькин, Ю.В.Соболев, Э.N.Êaëïèøîí и И,А.Борисов (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт "Теплопроект", Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Лолзунова, Производственное объединение "Ижорский завод" им. А.А.Жданова и Научно-производственное объединение по технологии машиностроения (53) 621.785.545(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

1<< 153925, кл. С 21 D 1/56, 1962.

2. Гедеон М.В., Соболь Г.П., Паисов И.В. Термическая обработка валков холодной прокатки. М., "Металлургия", 1973, с. 344.

3. Петров Б.Д., Склюев П.В. Влияние режима нагрева токами промышленной частоты на остаточные напряжения и работоспособность валков холодной прокатки. — "Иеталловедение и термическая обработка металлов", 1962 Р 10, с. 50-52.

4. Патент Великобритании

У 939544, кл. 82А, опублик. 1963. (54) (57) СПОСОБ ЗАКАЛКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С ОСЕВЬИ ОТЙЕРСТИЕМ, включающий нагрев до температурй аустенизацин и последующее охлаждение со стороны наружной поверхности и осевого отверстия, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью предотвращения закалочных трещин, осевое отверстие предварительно заглушают, а охлаждающую среду в отверстие подают с момента достижения поверхностью отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали.

1154341э

Изобретение Относится к термической Обработке стл1lbHKK иэдепий и мпжет ис поль ЗОВат ьГ я В частнОГ т и при закалке BRJIc)B и роторов с осевым

О тВ Ррстием для турби1т и т е не рато рОВ .

Интенсификация охлаждения при закл1тке является одним иэ эффективных

ПЧТ(ЕЙ ПОВЫЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕHИЯ XPУП кому разрушению стальных иэделий при эксплуатации. Однако, как прави- 10 ло, интенсивное охлаждение сопровождается возникновением в стали высоких текущих (временных) и остаточных напряжений, Заготовки многих ответственных H металлоемких изделий энер15 гетического и тяжелого машиностроения (таких как роторы, валы, прокатные валки и т.п.) имеют осевое отВерстие. С целью получения высоких эксплуатационных характеристик такие изделия при закалке охлаждают как с Внешней поверхности, так и со стороны осевого отверстия.

Известны способы поверхностной закалки изделий типа прокатных валков, предусматривающие нагрев иэделия и его последующее охлаждение со стороны внешней поверхности и c:ñåвого отверстия jt) . Нагрев осуществляют таким образом, что выше критической.точки Ас> нагревается только слой металла, прилегающий к внешней поверхности изделия. Соответственно этот слой металла закаливается (Hc пытывает I5 - р . Превращение) при 35 последующем охлаждении. Поверхностную закалку валков производят и с прерывистым охлаждением осевого отверстия (2): при погружении изделия

Э в бак начинают прокачивать охлажда- 40 ющую среду через осевое отверстие, а затем подачу охладителя прерывают.

Подача Охлаждающей жидкости в осевое отверстие при одновременном охлаждении внешней поверхности ис- 45 пользуется также при объемной закалке прокатных валков и роторов.

В рассмотренных способах закалки охлаждение осевого отверстия изделия начинают одновременно с охлаж- 50 дением внешней поверхности. Такие способы охлаждения хорошо зарекомендовали себя при поверхностной и объемной закалке прокатных валков f3), когда в связи с особенностями прогре-55 ва сечения изделия и структурных превращений ттри охлаждении калковьгс,, с та:тей (9XW, 60ХН, 75ХМ и т. и. ) . только тонкиЙ НОВе1>хностный слОЙ металла эакаливается на мартенситную или бейнитную структуру. В бсновной части сечения после закалки образуется (в случае объемной закалки) или сохраняется (В случае поверхностной закалки) перлитная структура. Внутренние напряжения в закаливаемых стальных изделиях существенно зависят не только от способа Охлаждения, размера и формы иэделий, но и от характера структурных превращений стали. В случае закалки полых цилиндрических изделий из валковых сталей одновременное охлаждение осевого канала и внешней поверхности обеспечивает безопасный уровень внутренних на пряжений.

Недостатком рассмотренных способов охлаждения в случае объемной закалки полых цилиндрических изделий с образованием почти по всему сечению бейнитной структуры является высокий уровень временных и остаточных напряжений. В связи с этим реальной является опасность возникновения закалочных трещин, которая возрастает из-эа неустойчивого в начальный период (при высокой температуре стенок) характера течения жидкости в осевом отверстии. Неустойчивость течения приводит к неравномерности отвода теппа по длине и периметру осевого отверстия и соответственно к неравномерности распределения механических свойств стали вблизи отверстия, что и повышает вероятность образования эакалочных трещин.

Закалка цилиндрических изделий из сталей, химический состав которых обеспечивает реализацию мартенситного превращения по всему сечению крупных изделий с одновременным началом охлаждения внешней поверхности и осевого отверстия также представляет значительную опасность разрушения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ закалки полых цилиндрических изделий, который включает нагрев йзделия до температуры аустенизации и его последующее охлаждение со стороны осевого отверстия и внешней поверхности. Охлаждение изделия заканчива154345

3 1 ют при снюкении средней температуры о, в сечении до уровня 250 f: (4) .

Окончание охлаждения при сравнительно высокой температуре металла позволяет снизить риск разрушения из-за действия остаточных напряжений, но текущие напряжения н процессе охлаждения являются высокими и по-прежнему н начальный период существует неранномерность охлаждения канала.

Цель изобретения — предотвращение эакалочных трещин.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу закалки цилиндрических изделий с осевым отверстием, включающему нагрев до температуры аустениэации и последующее охлаждение со стороны наружной поверхности и осевого отверстия, осевое отверстие предварительно заглушают, а охлаждающую среду н отверстие подают с момента достижения поверхностью отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали.

Сущность изобретения заключается н том, что после. нагрева до температуры аустениэации осевое отверстие изделия заглушают и изделие помещают н закалочный бак или установку спрейерного (нодовоздушного) охлаждения. Сначала изделие охлаждают со стороны внешней поверхности, осевое отверстие охлаждают только с момента достижения его поверхностью температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали.

Прерывание закалки до подключения устройства охлаждения осевого отвер.стия может вызывать повышение неравномерности температуры по поверхнос ти изделия, что весьма опасно при наличии хрупкого закаленного слоя стали. Поэтому предлагается вариант способа закалки с использованием одного устройства.дпя заглушения осевого отверстия и его последующего охлаждения без прерывания закалки. применение предлагаемого способа позволяет существенно снизить уровень наибольших растягивающих текущих и остаточных напряжений по сравнению со способами, предусматривающими одновременное начало охлаждения внешней поверхности и осевого отверстия изделия. Кроме того, при подаче жидкости в отверстие, температура стенок которого значительно ниже температуры аустенизацин, исключается неустойчивость течения закалочной жидкости н начальный период охлаждения отверстия. Таким образом, обеспечивается высокая равномерность механических свойств стали на поверхности отверстия.

Предлагаемый способ позволяет получить высокие механические свойства стали, поскольку подача охлаждающей среды в осевое отверстие в момент достижения его поверхностью температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали существенно повышает скорость охлаждения в интервале температур превращения для слоев металла, прилегающих к отверстию, а для внутренних зон — также и в интервале температур перед структурным превращением.

В период задержки охлаждения зона, прилегающая к поверхности осевого отверстия, является наиболее теплоинерционной зоной сечения изделия.

Поэтому мартенситное превращение на поверхности осевого отверстия реализуется только в случае применения стали, обеспечивающей это превращеие по всему сечению изделия.

Прерывание закалки крупных изде-. лий для подсоединения устройства подачи жидкости в осевое отверстие весьма опасно. В частности, извлечеЗ5 ние изделий из бака в процессе охлаждения опасно н связи с возникновением на поверхности значительных перепадов температур. Эта опасность возрастает вследствие наличия на по40 верхности хрупкого закаленного слоя из существенно различной массивности различных частей изделия (таких как бочки и шейки ротора) . Поэтому использование одного устройства для

45 заглушения отверстия и подачи в него охлаждающей жидкости без прерывания закалки существенно снижает опасность возникновения эакалочных трещин. Отсутствие необходимости иэ50 влечения изделия иэ бака в процессе охлаждения уменьшает время работы закалочного крана, что важно для термических участков с несколькими печами и баками.

55 Закалку производят следующим образом.

Изделие нагренают до температуры аустенизации, стыкуют с устройством

» 54345

Составитель В.Китайский

Редактор Н.Тупица Техред Л.Микеш Корректор О.Тигор

Заказ 2636/25 Тираж 553 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 охлаждения осевого отверстия, а затем переносят в закалочный бак или установку спрейерного или водовоздушного охлаждения. Сначала осевое отверстие заглушено и изделие охлаждается только со стороны внешней поверхности. С момента достижения поверхностью осевого отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали зака- 10 лочную среду подают в отверстие путем принудительной или естественной циркуляции, Момент достижения поBepxHocTbY) осевого отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали можно определить по показаниям зачеканенной термопары.

Пример . Закалку ротора производят из стали 26ХНЗМ2ФА с диа- 2п метром бочки 1,8 м и диаметром осевогп отверстия 0,32 м в воде с охлаждением внешней поверхности и осевого

О отверстия. Ротор нагревают до 860 С, выгружают.из печи, стыкуют с устрой- 25 ством принудительного охлаждения осевого отверстия и затем погружают в бак с водой.

Рассмотрим два варианта охлаждения. 30

В первом варианте {без использования предлагаемого способа) охлаждение осевого отверстия начинают одновременно с погружением ротора в бак. Результаты расчетов по специальной программе свидетельствуют о том, что в процессе охлаждения. возникают высокие растягивающие напряженияя, дос тигающие на поверхнос ти отверстия 104 кгс/мм при температуре металла около 100 С. Такие напряжения опасны при допустимых по техническим условиям размерах металлургических дефектов до 3 мм, находящихся в хрупкой закаленной структуре.

Высокий уровень напряжений при закалке по первому варианту приводит к возникновению закалочньж трещин в осевом канапе опытного ротора.

Во втором варианте охлаждение осевого отверстия начинают через 10 ч после погружения ротора в бак, что соответствует снижению температуры о поверхности отверстия до 400 С (температура начала бейнитного превращения стали 26ХНЗМ2ФА). При этом обеспечиваются достаточно высокие механические свойства стали, а мак— симальные растягивающие напряжения, согласно выполненным расчетам, не превышают 45 кгс/мм . Такой уровень напряжений (менее половины предела текучести закаленной стали) вполне. безопасен.

Изобретение целесообразно использовать в энергетическом машиностроении при разработке технологии изготовления крупных роторов.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения изобретения составляет

340 тыс.руб. в год.