книги из ГПНТБ / Мурованная, С. Г. Закалка сталей в вакууме учебное пособие
.pdf
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
|
|
|
Стр. |
I. |
Особенности нагрева с т а л е й ................................................................... |
|
3 |
|
II. |
Основные преимуществаза к а л к и ............................................................ |
|
|
|
III. |
Технологические параметры закалки в вакууме различных |
групп |
Ю |
|
|
с т а л е й ........................................................................... |
|
■ |
|
IV. Конструкции печей для закалки в газе .............................................. |
|
14 |
||
V. |
Конструкции вакуумных печей с закалочными баками . . |
. . |
20 |
|
Заклю чение............................................... |
|
> |
26 |
|
Вопросы для |
самопроверки............................................................. |
|
|
|
Рекомендации |
по изучению и использованию материала брошюсы на |
27 |
||
|
производстве................................................. |
. |
||
Список литературы ......................................................................
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В МАШИНОСТРОЕНИИ
Допущено научно-методическим советом в качестве учебного пособия для слушателей
заочных курсов повышения квалификации ИТР по металловедению, технологии и оборудованию термической обработки металлов
С. Г. МУРОВАННАЯ
■■ |
. Р |
ЗАКАЛКА СТАЛЕЙ
В ВАКУУМЕ
МОСКВА
:МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1974
М 91 |
|
. *.i,i — Д—% |
||
i |
foe. |
I |
||
УДК 621.785.6.061:669.14 |
||||
|
|
|
||
|
|
^ |
,, I |
|
фгЗзЗЧК
Мурованная С. Г. Закалка сталей в вакууме. М.,• «Машинострое ние», 1974 28 с.
В брошюре изложены общие представления о вакууме как о защитной среде, основные особенности и преимущества вакуум ной термообработки, влияние нагрева в вакууме на свойства! изделий. Приведены данные по параметрам вакуумной закалки отдельных групп сталей. Описаны типы и конструктивные осо бенности зарубежных и отечественных вакуумных печей сопро тивления для закалки в газе и жидкости.
Табл. 3. Ил. 17. Список лит. 17 назв.
Председатель методического совета заочных курсов повы шения квалификации ИТР по металловедению, технологии и оборудованию термической обработки металлов заслуженный деятель науки. и 1техники РСФСР д-р техп. наук проф.
Ю. М. Лахтин.
Научный редактор Я. Д. Коган.
Университет технического прогресса в машиностроении при Н ГО Машпром, 1974 г.
Светлана Григорьевна МУРОВАННАЯ
Закалка сталей в вакууме
Редактор издательства Я. Г. Сальникова Технический редактор Я. В. Завгородняя Корректор Я. Э. Ясудович
Сдано в набор I4/V-74 г. |
Подписано к |
печати |
I9/V II1-74 г. |
T |
-II989 |
Формат ’60x90 Vie |
Бумага типографская |
№ 2 |
|
Уел. печ. л. |
1,75 |
Уч.-нзд. л. 1,9 |
Тираж 2500 |
Заказ |
2227 |
Бесплатно |
|
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, I-й Басманный пер., д. 3
Серпуховская типография, пр. Мишина, д. 2/7
I. ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА СТАЛЕЙ
Среду для нагрева выбирают исходя из требований, предъ являемых к материалу, технико-экономических соображений и требований техники безопасности.
Применение вакуума при термообработке сталей позволяет получать светлую (неокисленную или малоокисленную) поверх ность при отсутствии науглероживания и обезуглероживания, удалять’ за счет испарения и диссоциации в вакууме примеси и неметаллические включения, а также растворенные в металле газы.
Улучшение свойств обрабатываемых изделий, уменьшение трудоемкости процесса вследствие ликвидации некоторых опе раций (травления, очистки, промывки, сушки, правки и осо бенно дополнительной механической обработки и др.) привели к довольно широкому внедрению вакуумной технологии'при обра ботке стали: отжиг различного назначения (гомогенизирующий, рекристаллизаци о н н ы й, для снятия напряжений, дегазационный), отпуск, высокотемпера т у р н а я пайка, спекание.
Светлую поверхность изделий можно получить или сохранить при высо котемпературной обра ботке в результате созда ния условий, препятству ющих образованию окис лов, испарения или восста новления имеющихся или образующихся окислов.
Термодинам и ч е с ки е
предпосылки. В случае нагрева сложнолегиро ванных сталей в вакууме, который для условий ра боты промышленных ус-
2—2227 |
3 |
тановок не является разреженной средой постоянного состава, теоретическое описание поведения материала затруднительно.
Вакуум как среда термообработки обладает .весьма низким парциальным давлением газов-окислителей, в 10—20 раз ниже, чем нейтральные газы (азот и аргон) высокой очистки. В ва кууме 10_3 мм рт. ст. содержание кислорода составляет
1,5- 10-4%.
Как видно из рис. 1, давления, обеспечивающие полное от сутствие окисления, технически трудно достижимы. Однако вви ду тош, что низкое содержание кислорода в остаточных газах будет обусловливать кинетику окисления, .при нагреве в ваку-, уме можно получать практически светлую поверхность.
Содержание такого окислителя, как водяной пар в остаточ ных газах, зависит от многих .причин (материала садки, герме тичности печи, наличия керамической футеровки и т. д.) и изме няется в широких пределах (25—75%)- При 100%-ном содер жании водяных паров в остаточных газах точка росы при ва кууме 10-3 мм рт. ст. составляет —74°С. При этой точке росы, как видно йз рис. 2, не окисляются никель, вольфрам, олово и железо, а молибден, цинк, хром и марганец окисляются лишь при низких температурах.
Рис. 2. Кривые равновесия системы |
Рис. 3. Кривые равновесия сис- |
металл—окисел в смеси Н2/Н20 |
темы металл — окисел в смеси |
|
cq/co2 |
На рис. 3 представлены кривые равновесия систем металл— окисел в смеси с о / й о 2.
Ниже рассмотрены факторы, влияющие на состав остаточ ной среды вакуумной установки:
1) степень герметичности лечи: чем она выше, тем меньше окислительная способность остаточной среды;
4
2) -способ откачки, тип откачного устройства (наличие или отсутствие в вакуумной системе масляных насосов), тип масля ного насоса, марка используемого масла (степень миграции его в объем нагревательной камеры различна); указанное опреде ляет количество углеводородов, крекинг которых может приве сти к увеличению парциального давления газов-восстановите лей; анализ остаточной среды нагревательных камер с тепло изоляцией из графита, жароупорных экранов и огнеупорной керамики показал идентичность их составов в условиях стацио нарной работы печи: 40—65%СО, 20—30%Нг, 10—20%Ыг, 2—3%С02 и НаО;
3)режим термообработки (заданная технологическая ско рость нагрева определяет прогрев печных конструкций и их газоотделение); состав газов в печах во время нагрева и вы держки различен, при этом дополнительным фактрром, опреде ляющим нестабильность состава остаточной среды, является из-, бирательная откачка отдельных газов;
4)тип и режим работы вакуумной лечи; при этом контакт нагревательной камеры с воздухом, его продолжительность, тем пературу ловеркности необходимо учитывать при использовании материалов с высокой сорбционной способностью;
5)газосодержание и скорость дегазации печных материалов
иматериалов садки.
Таким образом, состав остаточной среды в вакуумной печи при -определенном давлении определяется .не однозначно. Ха рактер взаимодействия остаточной среды с обрабатываемыми сплавами или группами сплавов в большинстве случаев выяв ляется экспериментально.
Процесс испарения металлов и их окислов, нитридов и кар бидов, протекающий в вакууме, также значительно влияет на конечный результат термообработки.
Требования к безокислительному нагреву отличаются для разных сталей, зависят от назначения изделий, места данного процесса в общем технологическом цикле. В одних случаях от сутствует отслаивающаяся окалина, в других.— видимые окисньге пленки. Когда допустимы тонкие видимые акисные пленки, важна, например, их равномерность, влияющая на коррозион ные свойства и т. д. Поэтому при внедрении в промышлен ность термообработки в вакууме или в защитных средах необ ходима объективная оценка степени окисления (потемнение или осветление) поверхности.
В отличие от лабораторных условий, в которых могут быть использованы сравнительно сложные методы исследования (ве совой, интерференционный, электрический, рентгенографический изотопный), в промышленной практике для изучения1окисления чаще всего используют визуальную оценку состояния поверхно сти. Она позволяет ориентировочно установить границы види
мого окисления, однако не дает объективного |
и многократно |
2* |
5 |
воспроизводимого критерия для выбора параметров термооб работки, а также для сравнения эффективности вакуума и раз личных защитных и нейтральных сред. Для этой цели применя ют простую в эксплуатации установку для определения степе ни потемнения поверхности оптическим методом.
Сущность этого метода заключается в оценке степени потем нения образца по изменению яркости светового пятна на его поверхности после термообработки, по сравнению с яркостью пятна на исходном образце.
Изменение химического состава поверхности. На поверхно сти изделий из сплавов и сталей возможно образование изме ненного (дефектного) слоя вследствие испарения легирующих элементов, в первую очередь избирательного испарения эле ментов с высокой упругостью пара (Сг, Мп), а также за счет восстановления окислов углеродом стали, что ведет к обезугле роживанию поверхности.
Необходимость удаления дефектного слоя вносит дополни тельные трудности в технологию производства. Глубина де фектного слоя зависит от температуры, давления, продолжи тельности нагрева в вакууме и активности испаряющегося леги рующего элемента. Рассчитать для каждой стали эти зависи мости невозможно, поэтому при внедрении ‘вакуумной термооб работки необходима предварительная экспериментальная про верка с целью определения влияния параметров термообработ ки в вакууме на химический состав и свойства изделий, а также определения минимальных припусков на механическую обра ботку.
Обезуглероживание поверхности в результате восстановле ния окислов углеродом усиливается при повышении температу ры ц снижении давления. Это явление более заметно для спла вов с низким содержанием углерода (до 0.25%). Для высокоуглеродистых сталей обезуглероживание менее выражено, напри
мер, |
в стали с 1,45% С заметного обезуглероживания не наблю |
||
дали |
даже после 50 ч выдержки при 1000°С |
в |
вакууме 10-э |
мм рт. ст. |
при |
обработке в |
|
Следует отметить, что обезуглероживания |
|||
вакууме практически не наблюдается, если обрабатывается неокислеиная поверхность. При наличии окисной пленки может происходить обезуглероживание, однако при применяемых в практике температурах и выдержках оно незначительно.
При 'исследовании обезуглероживания коррозионностойких (нержавеющих) сталей Х18Н9Т, XI7 при высокотемпературном отжиге в вакууме 10 '4 мм рт. ст. не наблюдается обезуглеро живания. В низком вакууме 1О-1 мм рт. ст. для образцов стали XI7, не имеющих окисной пленки, обезуглероживание при
1350° С весьма незначительно (от 0,07% до 0,069—0,056%), а
при наличии окисной пленки за 6 ч содержание углерода сни жается до 0,005—0,006% [13].
<>
Исследование влияния вакуумной термообработки (нагрева в вакууме, различных условий охлаждения) на сталях 2X13, 1Х11МФ показало возможность закалки в вакууме исследован ных материалов с получением светлой поверхности по 7-му классу. В качестве охлаждающей среды при закалке использо вали вакуум (остаточные газы при давлении 10~2 — 10~3 мм ,рт. ст. ) и нейтральные тазы (аррон марки А и технический азот) -при давлениях 400 и 700 мм рт. ст.
При этом глубина поверхностного слоя, обедненного легирую щими элементами, 50—60 мкм.
Отпуск и старение при давлении 10~~3 мм рт. ст.’не вызывают дополнительного изменения состояния поверхности и образова ния дефектного слоя. Охлаждение в аргоне, марки А (ГОСТ 10157—62) и азоте (ГОСТ 9293—59) при давлениях 400 и 700 мм рт. ст. не вызывает изменения химического состава поверхности по сравнению с охлаждением в вакууме.
При изучении -влияния вакуумной термообработки труб из коррозионностойких конструкционных -сталей (0Х18Н10Т, ЗОХ-ГСА, сталь 10, ШХ15), содержащих 0,08—0,2%'С, на общий химический состав сталей обработку проводили в печи с нагре вателями и конструктивными элементами из графита.
Химический состав исследованных сталей (углерод, хром, никель, марганец) после нагрева до 1100 и 1200°С, при давле нии 10~2 — 10_3 мм рт. ст. и выдержке в течение 2 — 3 ч изме нился незначительно. При увеличении выдержки до 5 ч концент рация хрома немного уменьшается. Нагрев до тех же темпера тур при давлении (2—5) • 10-4 мм рт. ст. приводит -к заметно му снижению содержания газов: кислорода, водорода, азота. Стали после вакуумной термообработки имели светлую поверх ность. Эти данные убедительно показывают возможность при менения -печей с конструктивными элементами из графита для термообработки различных сталей.
При вакуумной термообработке отливок из -стали 110Г13Л слой, -обедненный марганцем, составляет 0,3 -мм, а углеродом 0,25 мм, что в 8—10 раз меньше глубины дефектного слоя, об разующегося при термообработке на воздухе [1].
Для жаропрочных сплавов с присадками бора глубина из мененного слоя составляла в азоте, аргоне, азото-водородной ат мосфере и вакууме (10~2 мм рт. ст.) соответственно 0,5; 0,5; 0,3 и 0,1 мм. Использование вакуума и азото-водородной среды при нагреве жаропрочных сплавов позволяет значительно со кратить припуски на заготовки.
Для уменьшения избирательного испарения легирующих эле ментов целесообразно повышать давление в рабочей камере до 10-1— 1 мм рт. ст. за счет подачи нейтральных газов.
Как показывают описанные исследования и многочисленные примеры промышленной термообработки в вакууме различных сталей, обезуглероживание или науглероживание их поверхно-
3 -2227 |
7 |
сти л.рактически отсутствует. При этом уменьшаются напряже ния в поверхностном слое, что позволяет повысить точность обработки.
Дегазация. Преимуществом термообработки стали в ваку уме является протекающая при насреве и выдержке дегазация сплава. Дегазация стали повышает ее пластичность.. Улучшение свойств технического железа определяется уменьшением кон центрации серы и кислорода. Литой и деформированный металл при содержании серы до 0,01% и кислорода до 0,4% не склонен к хрупкости при 850—1050°С. Увеличение содержания кислоро да до 0,06’% и более резко снижает .пластические свойства при 900 — 1000°С [8 Некоторое улучшение пластических свойств при вакуумной обработке наблюдалось для сталей 2X13, 1X11МФ. Ударная вязкость отливок из стали 110Г13Л, дефор мируемых на 30%, повышается при вакуумной термообработке
с 4 до 5,6 кгс • м/с.м2.
Дегазация и отсутствие обезуглероживания увеличивают прочность инструментальных сталей по сравнению с термооб работкой в защитных средах. Дегазацию следует также учиты вать при корректировке режимов термообработки: отсутствие или уменьшение концентрации примесей внедрения может .спо собствовать росту зерна, более интенсивному протеканию фазо вых .превращений и т. п.
Таким образом, теоретические предпосылки и исследования показывают возможность осуществления вакуумной закалки,
П. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЗАКАЛКИ
Благодаря .возросшим требованиям к качеству изделий тер мообработку в вакууме применяют в различных отраслях про мышленности (авиационной, инструментальной, подшипнико вой, приборостроении).
В качестве охлаждающих сред при закалке в вакууме ис пользуют жидкости и нейтральные газы, причем закалка в газе легче осуществима. Преимущества закалки в газе после нагре ва .в вакууме рассмотрены ниже.
1. Уменьшение деформации (коробления), обусловленное: отсутствием перемещения нагретых деталей при подаче газа непосредственно в камеру нагрева, использованием направлен ного градиента температуры за счет определенного направле ния охлаждающего газового потока, возможностью применения в вакууме в качестве материала технологической оснастки (за жимы, подставки), графита, нагревающегося медленнее, чем изделие, недеформирующегося и сохраняющего большую проч ность при нагреве и охлаждении.
2.Возможность получения чистой светлой неошсленной (по верхности без науглероживания и обезуглероживания.
3.Снижение припуска на механическую обработку, позво ляющее ликвидировать или значительно сократить финишные