Опыт закалки хромистых сталей в вакууме

Аннотация

Изложен опыт и результаты исследований режимов закалки изделий из стали 40Х13 в вакууме, в единичном и мелкосерийном производстве. Показана эффективность высокотемпературной закалки деталей с охлаждением вакуумной камеры на открытом воздухе. Разработана математическая модель охлаждения вакуумной камеры, позволяющая исследовать режимы охлаждения и варианты конструкции вакуумной камеры.

Полный текст

В развитии современного производства можно отметить, по крайней мере, две тенденции. Взрывное расширение номенклатуры деталей и связанное с этим развитие мелкосерийного и единичного производства. Проникновение в эти производства технологий, ранее считавшихся высокими: электронной, ионной вакуумной и лазерной техники, что связано с совершенствованием технологического оборудования [1]. В статье излагается опыт вакуумной закалки заготовок из высоколегированной коррозионностойкой хромистой стали 40Х13, предназначенных для мелкосерийного производства медицинских инструментов и результаты математического моделирования процессов охлаждения деталей в вакууме. Заготовки представляют собой круглые стержни диаметром 6 мм и длиной 110 мм. По техническим условиям они должны закаливаться до твёрдости 50-55 HRC. Обычно рекомендуемый режим термообработки для стали 40Х13: нагрев до температуры 1000-1050°С в течение 15-20 минут, с охлаждением в масле и немедленным отпуском при 200-300°С [2]. При этом достигается твёрдость 60 HRC. После такой закалки изменяется цвет и ухудшается качество поверхности изделий, поэтому возникает необходимость дополнительной обработки. Закалка изделий в вакууме, как известно [1, 2], не только не ухудшает поверхности деталей, но и производит их некоторую очистку. Это позволяет устранить последующую механическую обработку деталей и существенно снизить трудоёмкость их изготовления. В Московском институте электроники и математики (МИЭМ) в «Лаборатории вакуумной техники» под руководством доцента Куломзина Е.К. была разработана простая установка для вакуумной закалки малых партий таких изделий (рисунок 1). При этом был использован опыт отечественных и зарубежных разработчиков [3, 4, 5]. Рисунок 1. Общий вид установки вакуумной закалки Установка состоит из цилиндрической рабочей вакуумной камеры (ВК), изготовленной из жаропрочной нержавеющей стали толщиной 5 мм; вакуумной системы, обеспечивающей высокий вакуум до 10-3ПА; электропечи и средств, позволяющих осуществлять различные режимы охлаждения. Предусмотрены также возможность напуска аргона в рабочую камеру и возможность измерения температуры закаливаемых деталей в процессе их нагрева и охлаждения. Диаметр камеры 100 мм, длина - 600 мм. Принципиальная схема установки показана на рисунке 2. Закаливаемые детали помещаются в контейнер длиной 120 мм и диаметром 60 мм, который так же изготовлен из жаропрочной нержавеющей стали, с коэффициентом заполнения 0,7. Контейнер с деталями размещается в центре нагреваемой вакуумной камеры. Закалка в вакууме состоит из двух взаимосвязанных процессов. Процесса нагрева закаливаемых изделий в вакууме и процесса охлаждения, который может осуществляться в газовой, жидкой или вакуумной среде. Преимуществами нагрева в вакууме являются: · высокая равномерность нагрева излучением, уменьшающая напряжение в поверхностном слое нагреваемых деталей и исключающая их коробление; · сохранение химического состава поверхностных слоёв деталей и, как следствие, возможность их нагрева до высоких температур. Рисунок 2. Принципиальная схема установки вакуумной закалки: NI - механический насос, ND - диффузионный насос, VП2 -клапан напуска воздуха, VE2 - байпасный клапан, PT -тепловой манометр, РА - ионизационный манометр Наиболее сложной и многовариантной является процедура охлаждения закаливаемых деталей. Охлаждение деталей должно осуществляться со скоростью, обеспечивающей формирование мартенситных структур в материале деталей и, следовательно, требуемую их твёрдость. Процесс охлаждения не должен ухудшать качество поверхности и внешний вид изделий, что исключает контакт деталей с охлаждающей средой. Таки образом, необходимо охлаждать всю вакуумную камеру вместе с деталями, но при этом существенно уменьшается скорость охлаждения. Возникает вопрос, возможна ли закалка в этом случае, и если возможна, каковы должны быть режимы охлаждения? Подбор режимов охлаждения затрудняется большим разнообразием вариантов. Возможно охлаждение нагреваемой вакуумной камеры в жидкости - в воде, или в масле, в воздухе с принудительным обдувом или без него. В самой нагреваемой вакуумной камере в процессе охлаждения может поддерживаться определённая степень разряжения, либо в неё может осуществляться напуск некоторого количества инертного газа с целью повышения скорости охлаждения. Важно и то, что в единичном и мелкосерийном производстве необходимо организовать технологический процесс закалки наиболее простым и дешёвым способом. Предварительные пробы закалки осуществлялись при нагреве ВК с деталями в диапазоне температур от рекомендованной 1000 - 1150ºС, с выдержкой при температуре в течение 30 минут. После чего ВК охлаждалась в воде, и затем осуществлялась нормализация при 200ºС в течение 2 часов. Исследования твёрдости образцов показали, что образцы, нагретые до 1150ºС, приобрели твёрдость 50-53 HRC. Остальные образцы либо не закалились совсем, либо закалились до твёрдости 20-30 HRC. Таки образом было установлено, что закалка в вакууме должна быть высокотемпературной. Охлаждение ВК в воде приводит к тому, что сама ВК коробится и быстро выходит из строя, поэтому были исследованы другие способы охлаждения. Для предварительной оценки различных вариантов и режимов охлаждения была разработана математическая модель охлаждения деталей в вакууме для проведения компьютерных экспериментов. Для того чтобы сравнить различные варианты охлаждения, была разработана двухтельная модель, в которой одним телом является охлаждаемая садка с набором заготовок, а другим - корпус вакуумной камеры. Упрощённая схема математической модели показана на рисунке 3. Рисунок 3. Схема математической модели установки: 1 - первое тело садка с закаливаемыми заготовками, 2 - второе тело корпус вакуумной камеры. Параметры модели соответствуют реальным размерам рабочей камеры: первое тело - цилиндр из жаропрочной нержавеющей стали диаметром d=60 мм и длиной l=120 мм с коэффициентом заполнения закаливаемыми заготовками η=0,7; второе тело - закрытый металлический цилиндр длиной L=600 мм, диаметром D=100 мм, с толщиной стенки h=5 мм. Так как разрабатываемая модель предназначена для приближённых оценок влияния различных факторов на скорость охлаждения, примем ориентировочно значения теплофизических параметров для материалов вакуумной камеры садки и закаливаемых заготовок одинаковыми и приблизительно равными следующим значениям плотности ; теплоёмкости ; теплопроводности - При моделировании были сделаны следующие допущения: · теплопроводность тел многократно выше теплопроводности сред, поэтому градиенты температуры внутри тел не рассматриваются; · так как поверхности тел существенно различаются, передача энергии осуществляется только за счёт излучения центрального тела [6], и приведённый коэффициент черноты равен коэффициенту черноты центрального тела; · теплообмен со средой осуществляется по закону Ньютона, причём коэффициенты теплообмена определяются эмпирически. Обозначим: температура первого тела, температура второго тела, температура окружающей вакуумную камеру среды. Температура первого тела изменяется под действием потока тепла, создаваемого разностью температур . Температура второго тела (ВК) - изменяется под влиянием двух потоков, приходящего от первого тела и уходящего от ВК в окружающую среду. В модели учитываются две составляющие потоков: лучистая и конвективная. Динамика изменения температуры тел при охлаждении описывается следующей системой дифференциальных уравнений: (1) В системе (1): (1а) · приведённый коэффициент лучистого теплообмена в форме Ньютона тел 1 и 2; (1б) · приведённый коэффициент лучистого теплообмена в форме Ньютона тела 2 и окружающей среды; приведённые эмпирические коэффициенты конвективного теплообмена для вакуумной камеры и окружающей её атмосферы; ; - площади поверхностей и объёмы 1 и 2 тел соответственно; теплоёмкость, плотность, коэффициент черноты тел 1 и 2; - постоянная Стефана-Больцмана. Система (1) не линейна, и решения могут быть получены только численными методами. Система (1) позволяет оценить влияние лучистого и конвективного теплообмена на скорости изменения температуры тел 1 и 2 и время их охлаждения. Решения системы (1) получены с помощью системы MATLAB. В первом случае варьировался коэффициент при фиксированном значении , соответствующему давлению в вакуумной камере 10-3Па. Оценка значения проводилась по методике [6] и проверялась опытным путём по времени охлаждении тела 1. Для вакуума и заданных параметров тел . Параметр отражает различные варианты охлаждения вакуумной камеры. Моделировались три случая: · охлаждение в воде ; · охлаждение на воздухе с обдувом ; · охлаждение на воздухе без обдува . Результаты моделирования приведены на рисунке 4. Как видно из приведённых графиков, температура садки с деталями уменьшается до 500ºС примерно за 10 минут, что хорошо согласуется с экспериментом. Время и характер охлаждения садки в высоком вакууме практически не зависит от способа охлаждения вакуумной камеры. Рисунок 4 Рисунок 5 Зависимость температуры от времени: 1,2,3 -зависимости температуры ВК; 1”,2”,3” - соответствующие зависимости температуры садки; 1 - охлаждение ВК в воде, 2 - охлаждение на воздухе с обдувом, 3 - охлаждение на воздухе без обдува В другом численном эксперименте оценивалось влияние методов охлаждения вакуумной камеры на скорость охлаждения садки при среднем вакууме. В этом случае значения оставались прежними, а ], что по нашим оценкам соответствует среднему вакууму, который создавался напуском в камеру аргона до давления (5-7)102 Па. Результаты приведены на рисунке 5. Как следует из рисунка, влияние способа охлаждения ВК на скорость охлаждения садки возросло, причём охлаждение в воде и на воздухе с обдувом мало отличаются друг от друга. Температура в 5000С достигается за 5-7 минут, а скорость охлаждения при свободной конвекции оказалась практически такой же, как и в предыдущем эксперименте. Таким образом, можно сделать вывод о том, что оптимальным режимом охлаждения является охлаждение на воздухе с принудительным обдувом при незначительном напуске аргона в вакуумную камеру. Следует отметить, что при последующем медленном охлаждении камеры и садки в течение 1-2 часов автоматически происходит отпуск деталей. Эксперименты на реальных образцах показали, что в случаях высокого и среднего вакуума достигается твёрдость 50-55 HRC при охлаждении с обдувом. Следовательно, можно предположить, что закалка происходит при повышенных температурах, где скорость охлаждения составляет 70-100ºС в минуту. Предварительные металлографические и рентгеноструктурные исследования образцов не позволяют однозначно судить об образовании достаточного объёма мартенситных структур. Можно предположить, что упрочнение заготовок связано, во-первых, со смещением С-кривой закалки в область большей продолжительности садки и, следовательно, со снижением критической скорости закалки [7], и, во-вторых, с образованием большого количества хромистых карбидов при повышенных температурах закалки [2]. Выводы 1. Высокотемпературная закалка в вакууме стали 40Х13 с охлаждением ВК на открытом воздухе позволяет достичь твёрдости 50-55 HRC без изменения цвета деталей и ухудшения качества их поверхности. 2. Процессы закалки и отпуска в случае высокотемпературной вакуумной закалки могут быть совмещены в одном цикле нагрева. 3. Разработанная двухтельная математическая модель процесса охлаждения вакуумной камеры и садки с закаливаемыми деталями адекватно отражает реальные процессы закалки и может быть использована для предварительной апробации режимов охлаждения и вариантов конструкции вакуумной камеры.