Спосіб поверхневого загартування та пристрій для його здійснення

1 Способ поверхностной закалки, включающий нагрев обрабатываемой поверхности высокотемпературной струей до температуры (0,7-0,95) Т пл материала с последующим охлаждением, отличающийся тем, что высокотемпературную струю направляют под углом 30 - 60° к обрабатываемой поверхности навстречу ее движению и производят нагрев с плавно нарастающей плотностью тепло вого потока от высокотемпературной струи к обрабатываемой поверхности 2 Способ по п 1, отличающийся тем, что время нарастания плотности теплового потока выбирают в пределах (0,3-2)tcp, где tcp=(ti+t2)/2 - среднее время теплонасыщения материала, ti=r2/aT=2o°c, t2=r2/aT=o 95 тпл, г - радиус пятна нагрева, а - температуропроводность материала соответственно при температуре, равной 20°С, и температуре, равной 0,95 Т пл 3 Устройство для поверхностной закалки, содержащее генератор высокотемпературной струи со спреером для охлаждения обрабатываемой зоны, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит коробчатый модуль в виде трех рабочих граней, установленный в торце генератора высокотемпературной струи, при этом длина коробчатого модуля составляет (7-15) d c , ширина большей грани модуля составляет (2-4) d c , где d c - диаметр сопла генератора высокотемпературной струи О Изобретение относится к области машиностроения, более конкретно - к упрочнению металлов, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов, эксплуатируемых в различных областях техники Термическое упрочнение стальных деталей является одним из наиболее эффективных и действенных способов увеличения ресурса работы нагруженных элементов машин и механизмов и снижения их материалоемкости Во многих случаях технически и экономически оправдана локальная термообработка, когда упрочняют только наиболее нагруженную рабочую поверхность детали, оставляя нетронутой сердцевину Известны различные методы поверхностного упрочнения металлов и устройства для их реализации Прогресс в повышении качества термообработки рабочих поверхностей деталей связывают с применением концентрированных источников энергии Когда традиционные методы химикотермической обработки по каким-либо причинам неприемлемы, используют лазерную закалку (С Н Полевой, В Д Евдокимов Упрочнение металлов М вш Машиностроение, 1986 - С 231-237) Лазерное термоупрочнение характеризуется малым временем воздействия, обеспечивает отсутствие деформации деталей, позволяет получать требуемую структуру поверхностного участка и соответствующие свойства Однако этот метод имеет низкий КПД преобразования электрической энергии в лазерное излучение, характеризуется высокими требованиями к качеству обрабатываемой поверхности, высокой стоимостью лазерных установок, их низкой надежностью, малой производительностью, ограниченными размерами упрочняемой зоны Из способов термообработки высококонцентрированными источниками нагрева наиболее экономичным и производительным является плазменный, он характеризуется меньшей стоимостью, доступностью технологического оборудования и большими размерами упрочненной зоны Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является способ плазменной поверхностной закалки (Плазменное поверхност 00 ^00 22848 ное упрочнение А К Лещинский, С С Самотугин, И И Пирч, В И Комар Киев Наукова Думка-1990 4 - 16 с ) Сущность способа плазменной поверхностной закалки заключается в быстром концентрированном нагреве рабочей поверхности плазменной струей и охлаждении поверхностного слоя как за счет стока теплоты в холодные слои металла, так и за счет спрейерного охлаждения поверхности Плазменную струю располагают нормально (в отдельных случаях под углом 75-80°) к закаливаемой поверхности Уровень плотности теплового потока в пятне нагрева зависит от мощности плазмотрона, расхода и используемого плазмообразующего газа, диаметра сопла, дистанции от среза сопла до поверхности детали Тепловой поток распределяется по пятну нагрева по закону, близкому к кривой вероятности Гаусса Абсолютные значения достигают 106-108 Вт/м2 Термический цикл плазменной поверхностной закалки состоит из фазы нагрева длительностью 0,9-1,2 с и фазы охлаждения 1,5-1,8 с Скорость нагрева стали может достигать 1,5 103 К/с и выше Нагрев поверхности при закалке сталей осуществляют, как правило, до температуры (0,7-0,95)Тпл, где Т пл температура плавления материала В качестве генератора высокотемпературной струи используют электродуговой плазмотрон, работающий на аргоне или азоте, со спрейером Зазор между срезом сопла плазмотрона и обрабатываемой поверхностью устанавливают в зависимости от мощности плазмотрона, требуемой глубины упрочнения, твердости и т д (Плазменное поверхностное упрочнение А К Лещинский, С С Самотугин, И И Пирч, В И Комар Киев Наукова Думка-1990-82-99 с) Недостатками указанного способа и устройства, с использованием которых этот способ реализуется, являются невысокая производительность и низкое качество закалки за счет недостаточной прокаливаемое™ и трещиностойкости Основной задачей изобретения являются усовершенствования известных способа поверхностной плазменной закалки и устройства для его реализации путем выбора угла между высокотемпературной струей и закаливаемым изделием, при плавно нарастающей плотности теплового потока от высокотемпературной струи к изделию, а также за счет применения в устройстве дополнительного элемента - коробчатого модуля и его конструктивных особенностей, что позволяет достичь равномерного прогрева по всей зоне контакта высокотемпературной струи с обрабатываемой поверхностью и тем самым повысить производительность процесса, улучшить прокаливаемость и трещиностойкость упрочненных деталей, обеспечивающих их высокое качество Для максимальной эффективности поставленной задачи оптимизируют время нарастания теплового потока Поставленная задача достигается тем, что при поверхностной закалке, включающей нагрев поверхности высокотемпературной струей до температуры (0,7-0,95)Тпл материала с последующим охлаждением, нагрев поверхности осуществляют высокотемпературной струей, расположенной под углом 30-60° к обрабатываемой поверхности навстречу ее движению с плавно нарастающей плотностью теплового потока от высокотемпературной струи к обрабатываемой поверхности Время нарастания плотности теплового потока выбирают в пределах (0,5 - 2)tcp , где t=p =(ti + Ь)/2 - среднее время в температурном интервале с T-i = 20°С до Т2 = 0,95 Тпл, ti = г /а т = 2о°с, t 2 = r2/aT = о 9 тпл, г - ра5 диус пятна нагрева, а - температуропроводность упрочняемого материала соответственно при Ті = =20°С и температуре плавления Т2 = 0,95Тпл Устройство для поверхностной закалки, содержащее генератор высокотемпературной струи со спрейером для охлаждения обрабатываемой зоны, дополнительно содержит коробчатый модуль в виде трех рабочих граней, установленный в торце генератора высокотемпературной струи, при этом длина коробчатого модуля составляет (7-12)dc , ширина большей грани модуля (2-4)dc, где d c - диаметр сопла генератора высокотемпературной струи Благодаря тому, что нагрев поверхности осуществляют высокотемпературной струей, расположенной под углом 30-60° к обрабатываемой поверхности навстречу ее движению, изменяется степень локализации ввода тепла в обрабатываемое изделие От этого зависят темп нагрева и охлаждения, к п д процесса, что влияет на такие важные факторы, как распределение свойств закаленного слоя по глубине и ширине, величину остаточных напряжений, что в конечном счете приводит к повышению производительности, улучшению прокаливаемое™ и повышению трещиностойкости и, следовательно, повышению качества закалки изделия Плавное нарастание плотности теплового потока в заявляемых пределах позволяет оптимально согласовать закон подвода тепла от внешнего источника с распространением тепла вглубь материала в соответствии с его теплофизическими свойствами За счет этого улучшается прокаливаемость и повышается трещиностой кость Благодаря дополнительной установке к генератору высокотемпературной струи коробчатого модуля с заданными соотношениями размеров реализуется заявляемый способ, т е обеспечивается пролонгированный оптимальный ввод тепла в нагреваемую поверхность, повышается к п д процесса, обеспечивается увеличение производительности, улучшается прокаливаемость, повышается трещиностойкость Причинно-следственная связь Сущность изобретения и механизм влияния характера нагрева материала под закалку на характеристики процесса и свойства упрочненных слоев заключается в следующем Процесс распространения теплоты обусловливается действием внешнего источника теплоты в виде заданного пространственного распределения плотности мощности теплового источника на поверхности изделия и характера изменения во времени (соответственно распределения и изменения плотности теплового потока через поверхность) и внутреннего источника в виде теплоты фазовых переходов (теплота полиморфных превращений в 10 и более раз меньше скрытой теплоты плавления и незначительно изменяет удельную энтальпию нагретого металла, в инженерных расчетах может не учитываться) В соответствии с изобретением задается характер нарастания плотности теплового потока че 22848 рез поверхность во времени с изменением закона пространственного распределения в пятне нагрева Наиболее общим случаем является нормальное (гаусово) распределение плотности струйного источника нагрева и адекватное ему плотности теплового потока, поскольку плазменную струю располагают нормально к поверхности Плавное нарастание плотности теплового потока от высокотемпературной струи к обрабатываемой поверхности в области близкой ктеплонасыщению материала (когда температурные поля, адекватные данной плотности теплового потока, успевают уходить на глубину соразмерную с радиусом пятна нагрева и успевают отслеживать возрастание плотности теплового потока) приводит к количественным и качественным изменениям процесса поверхностной закалки и свойств закаленного слоя Взаимосвязь времен нарастания плотности теплового потока и теплонасыщения материала обусловлена ощутимой зависимостью теплопроводности, теплоемкости и соответственно температуропроводности материалов от температуры Для закаливающихся сталей с повышением температуры теплопроводность убывает, теплоемкость возрастает Так, температуропроводность низко и высокоуглеродистых (подвергающихся поверхностной закалке) сталей изменяется с~0,13 см2/с при Т = 20°С до~0,056 см2/с при Т = 2200°С Это обстоятельство приводит к тому, что при резком интенсивном тепловом воздействии тонкие приповерхностные слои материала за малое время прогреваются до высоких температур (Т~ Тпл), ограничивают проникновение тепла вовнутрь и перегреваются В соответствии с изобретением характер нарастания теплового потока через поверхность согласуется с теплофизическими свойствами материалов, подвергающихся поверхностной закалке За счет ориентации высокотемпературной струи под углом 30-60° к обрабатываемой поверхности навстречу движению формируется стелющийся вдоль упрочняемой зоны высокотемпературный поток, обеспечивая увеличение доли тепла, передаваемой на нагрев материала и выполнение требуемого характера нарастания плотности теплового потока Заявляемый способ поверхностной закалки по п 1,2 формулы наилучшим образом реализуется с использованием заявляемого устройства (п 3 формулы) Устройство для поверхностной закалки изображено на рис 1 - вариант для закалки плоских поверхностей, рис 2 - вариант для закалки тел вращения Устройство содержит генератор высокотемпературной струи (1) с коммуникациями (2) и спрейером (3), установленными в торце коробчатого модуля (4) Устройство для поверхностной закалки работает следующим образом Коробчатый модуль (4) с закрепленным в торце генератором высокотемпературной струи (1) устанавливают на поверхности упрочняемого изделия (5) с минимальным зазором между боковыми гранями и поверхностью упрочняемого изделия (5), при котором обеспечивается свободное относительное перемещение При этом гранями коробчатого модуля и упрочняемой поверхностью образуется сужающийся в сечении и открытый в стороне противоположной от генератора высокотемпературной струи канал Генератор высокотемпературной струи (1) с модулем (4) устанавливают неподвижно, а упрочняемую деталь (5) приводят в движение навстречу генератору высокотемпературной струи (1) Включают генератор (1), из сопла диаметром d c вытекает высокотемпературная струя под углом 30-60° к поверхности упрочняемого изделия Струя, пройдя через сужающийся к выходу канал, образованный боковыми гранями модуля (4) и поверхностью упрочняемого изделия (5), выходит в атмосферу При своем течении в канале вдоль упрочняемой поверхности высокотемпературная струя прогревает упрочняемую поверхность на длине (7 -12)dc, обеспечивая плавное нарастание плотности теплового потока в упрочняемую поверхность при ее движении от выхода канала до места встречи высокотемпературной струи (1) с поверхностью изделия (5) Далее в зависимости от требуемой твердости и структуры упрочненного слоя на спрейер (3) подают воду, сжатый воздух, либо его отключают вовсе, обеспечивая закалку только за счет теплоотвода в глубь материала изделия (5) Пример реализации изобретения В качестве генератора высокотемпературной струи использовали плазмотрон, работающий в диапазоне мощностей 20-80 кВт с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с пропан-бутаном при коэффициенте избытка окислителя а = 0,6 - ад Диаметр сопла плазмотрона d c =8-16 мм Расход плазмообразующей смеси 5 - 1 5 м3/ч Наши исследования с различными плазмообразующими средами (аргоном, азотом, аргоноводородными смесями, СОг + СН4 + + О2, NH3,) показали, что наилучшие результаты по поверхностной плазменной закалке получаются при работе на смеси воздуха с углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном) при коэффициенте избытка окислителя а = 0,7 - 0,9 Для упрочнения использовали сталь 60 следующего химсостава С = 0,57-0,65, Si = 0,17-0,37, Мп = 0,5 - 0,8, Cr