Hardening of chromium steels in vacuum

Abstract

The experience and results of research of hardening modes of steel products 40H13 in a vacuum, in a single-unit and small-scale production is described. There is shown the effectiveness of high-temperature hardening with outdoors cooling of vacuum chamber. The mathematical model of the cooling of the vacuum chamber is developed. It allows the investigation of cooling modes and options for the construction of the vacuum chamber.

Full Text

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.