Способ закалки цилиндрических изделий с осевым отверстием Советский патент 1985 года по МПК C21D1/56 

1 Кзпбре.тенне отгюсится к термической обработке стапьньк изделий и можгт лспользопяться, в чястности, при зякалке ва.пор и роторов с осевым riTfiepcTHCM дтя турбин и тенераторов Интенсификация охлаждег ия при закапке является одним из эффсктивньк путей повышения сопротивления хрупкому разрурчению стальных изделий при эксплуатации. Однако, как правяло, интенсив1{ое охлаждение сопровождается возникновением в стали высоких текущих (временных) и остаточных напряжений. Заготовки многих ответственных и металлоемких изделий эне гетического и тяжелого машиностроения (таких как роторы, валы, прокатные валки и т.п.) имеют осевое отверстие, С целью получения высоких эксплуатационных характеристик таки изделия при закалке охлаждают как с внешней поверхности, так и со сто роны осевого отверстия. Известны способы поверхностной закалки изделий типа прокатных валков, предусматривающее нагрев изделия и его последующее охлаждение со стороны внешней поверхности и осевого отверстия fij , Нагрев осуществляют таким образом, что выше критической, точки Acj нагревается только слой металла, прилегаюпщй к внешней поверхности изделия. Соответственно этот слой металла закаливается (испытывает Y -р об превращение) при последующем охлаждении. Поверхностную закалку валков производят и с прерывистым охлаждением осевого отверстия (2j : при погружении изделия в бак начинают прокачивать охлаждающую Среду через осевое отверстие, а затем подачу охладителя прерывают Подача охлаждающей жидкости в осевое отверстие при одновременном озслаждении внешней поверхности используется также при объемной закал ке прокатных валков и роторов. В рассмотренных способах закалки охлаждение осевого отверстия изделия начинают одновременно с охлаждением внешней поверхности. Такие способы охлаждения хорошо зарекомен довали себя при поверхностной и объ емной закалке прокатных валков , когда в связи с особенностями прогр на сечения изделия и структурных ггреврап еиий при охлаждении валковых .сталей (9Х, 60ХН, 75ХМ и т.п.)452тол1- ко тонкий поверхност гый слой металла закаливается на мартенситную или бейнитн то структуру. В основной 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 изделий, 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 напряжений. 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 напр)тжений, В связи с этим реальной является опасность возникновения закалочных трещин, которая возрастает из-за неустойчивого в начальный период (при высокой температуре стенок) характера течения жидкости в осевом отверстии. Неустойчивость течения приводит к неравномерности отвода теапа по длине и периметру осевого отверстия и соответственно к неравномерности распределения механических свойств стали вблизи отверстия, что и повышает вероятность образования закалочных 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 изделия до температуры аустенизации и его последующее охлаждение со Стороны осевого отверстия и внешней поверхности. Охлаждение изделия заканчиваKIT при снижении средней температуры в сечении до уровня 250 С д. Окончание охлаждения при сравнительно высокой температуре металла пояполяет снизить риск разрушения из-за действия остаточных напряжений, но текущие напряжения в процес се охлаждения являются высокими и по-прежнему в начальный период суще ствует неравномерность охлаждения канала. Цель изобретения - предотвращени закалочных трещин. Указанная цель достигается тем, что согласно способу закалки ци.пиндрических изделий с осевьм отверсти ем, включающему нагрев до температуры аустенизации и последующее охлаждение со стороны наружной поверхности и осевого отверстия, осевое отверстие предварительно заглушают, а охлаждающую среду в отверстие цодают с момента достижения поверхностью отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали. Сущность Изобретения заключается в том, что после нагрева до температуры аустенизации осевое отверсти изделия заглушают и изделие помещают в закалочный бак или установку спрейерного (водовоздушного) охлаждения. Сначапа изделие охлаждают со стороны внешней поверхности, осе вое отверстие охлаждают только с мо мента достижения его поверхностью температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали. Прерывание закалки до подключения устройства охлаждения осевого отвер стия может вызывать повьшение нерав номерности температуры по поверхнос ти изделия, что весьма опасно при наличии хрупкого закаленного слоя стали. Поэтому предлагается вариант способа закалки с использованием одного устройства-для заглушения осевого отверстия и его последующего охлаждения без прерывания закалк фименение предлагаемого способа позволяет существен-но снизить уровень наибольших растягивающих текущих и остаточных напряжений по сравнению со способами, предусматривающ ми одновременное начало охлаждения внешней поверхности и осевого отверстия изделия. Кроме того, при подаче жидкости в отверстие, температур 454 стенок которого значительно температуры аустенизации, исключается неустойчивость течения закалочной жидкости в начальный период охлаждения отверстия. Таким образом, обеспечивается высокая равномерность механических свойств стали на поверхности отверстия. Предлагаемы 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. Прерьтвание .закалки крупных издё-. ЛИЙ для подсоединения устройства подачи жидкости в осевое отверстие весьма опасно. В частности, извлечение изделий из бака в процессе охлаждения опасно в связи с возникновением на поверхности значительных перепадов температур. Эта опасность возрастает вследствие наличия на поверхности хрупкого закаленного слоя из существенно различной массивности различных частей изделия (таких как бочки и шейки ротора). Поэтому использование одного устройства для заглушения отверстия н подачи в него охлаждающей жидкости без прерывания закалки существенно снижает опасность возникновения закалочнык трещин. Отсутствие необходимости извлечения изделия из бака в процессе охлаждения уменьшает время работы закалочного крана, что важно для термических участков с несколькими печами и баками. Закалку производят следующим образом. Изделие нагревают до температуры аустенизации, стыкуют с устройством

J 1

охлаждения осевого отверстия, а затем переносят в закалочиьм бак или установку спрейерного или водовоздушиого 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 закалочную среду подают в отверстие путем принудительной или естественной циркулЯ1даи, Момент достижения поверхностью осевого отверстия температуры начала бейнитного или мартенситного превращения стали можно определить по показаниям зачеканенной термопары.

Пример. Закалку ротора производят из стали 26ХНЗМ2ФА с диаметром бочки 1,8 м и диаметром осевого отверстия 0,32 м в воде с охлаждением внешней поверхности и осевого отверстия. Ротор нагревают до 860 С, выгружают из печи, стыкуют с устройством принудитель ного охлаждения осевого отверстия и затем погружают в бак с водой.

Рассмотрим два варианта охлаждения.

В первом варианте (без использования предлагаемого способа) охлаждение осевого отверстия начинают одновременно с погружением ротора в бак. Результаты расчетов по специальной программе свидетельствуют

43/4)6

о том, что в процессе охлаждения, возникают высокие растягивающие напряжения, достигающие на поверхности отверстия 104 кгс/мм при температуре металла около 100 (. Такие напряжения опасны при допустимых по техническим условиям размерах металлургических дефектов до 3 мм, находящихся в хрупкой закаленной структуре.

10 Высокий уровень напряжений при закалке по первому варианту приводит к возникновению закалочных трещин в осевом канапе опытного ротора. Во втором варианте охлаждение

5 осевого отверстия начинают через 0ч после погружения ротора в бак, что соответствует снижению температуры поверхности отверстия до 400°С (температура начала бейнитного превращения стали 26ХНЗМ2ФА). При этом обеспечиваются достаточно высокие механические свойства стали, а максимальные растягиваю1Г1ие напряжения, согласно выполненным расчетам, не

-5 превьпиают 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.

Ожидаемьй экономический эффект от внедрения изобретения составляет 340 тыс.руб. в год.

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