Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7,8

Определение прокаливаемости по химическому составу сталей

Цель занятия: по химическому составу сталей оценить прокаливае-

мость

Решаемые задачи:

1. Изучить характеристики прокаливаемости;

2. Оценить влияние углерода и легирующих элементов в сталях на

прокаливаемость;

3. Проанализировать полученные данные;

4. Сделать выводы.

Прокаливаемость – одна из важнейших характеристик качества стали,

во многом

определяющая служебные свойства, надежность и долговечность

работы машин. Знать фактическую прокаливаемость различных сталей необ-

ходимо для их рационального применения.

При закалке деталь охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в

сердцевине; скорость охлаждения распределяется по сечению так, как пока-

зано на рис. 1. Прокаливаемость стали зависит от критической скорости V

закалки. Деталь прокалится насквозь, и мартенситная структура по всему се-

чению будет в том случае, если скорость охлаждения в сердцевине будет

равна (или больше) критической ско-

рости V

к1

закалки данной стали. Если в

тех же условиях охлаждения закалива-

ют такие же детали, но из стали с более

высокими значениями критической

скорости (V

к2

, V

к3),

то скорость охлаж-

дения в сердцевине будет меньше кри-

тической скорости закалки для данной

стали. Детали

будут прокаливаться

только на некоторую глубину а или б,

т.е. прокаливаемость будет неполной и

в сердцевине образуются троостит,

сорбит или сохранится исходная струк-

тура. Следовательно, чем меньше кри-

тическая скорость закалки, тем больше

прокаливаемость.

К характеристикам прокаливае-

мости относится глубина прокаливае-

мости, критический диаметр, идеаль-

ный критический диаметр. За

глубину прокаливаемости принимается толщи-

на поверхностного слоя со структурой 100% мартенстита или слой с полу-

Рис. 1 – Зависимость прокаливаемости от

критической скорости закалки: 1 –

сквозная прокаливаемость, структура –

мартенсит; 2 – неполная прокаливае-

мость, структура – сорбит или перлит

мартенситной структурой 50% троостита и 50% мартенсита. Критический

диаметр – это диаметр (толщина) изделия, при котором изделие прокаливает-

ся насквозь в данной закалочной среде. Идеальный критический диаметр

представляет собой максимальный диаметр образца, который прокаливается

насквозь в идеальном охладителе. Идеальный охладитель понятие условное,

которое соответствует мгновенному понижению температуры поверхности

образца до температуры окружающей среды.

основным факторам, влияющим на прокаливаемость, относятся:

1. Критическая скорость закалки;

2. Размер аустенитного зерна, образовавшегося при нагреве под закал-

ку. Рост зерна аустенита вызывает увеличение прокаливаемости;

3. Содержание углерода в сталях. Наилучшей прокаливаемостью об-

ладают стали, состав которых близок к эвтектоидному;

4. Все легирующие элементы, кроме кобальта, растворимые в аустени-

те, увеличивают его устойчивость и улучшают прокаливаемость.

По представленным данным полос прокаливаемости различных сталей

определить глубину прокаливаемости (рис. 2-5) и проанализировать полу-

ченные данные.

Рис. 2 - Полосы прокаливаемости углеродистых сталей: а –35, б – 40, в – 45, г – 55

Рис. 3 - Полосы прокаливаемости сталей,

легированных хромом: а – 15Х, б – 30Х, в

– 35Х, г – 40Х, д – 45Х

Рис. 4 -Полосы прокаливаемости слож-

нолегированных цементуемых сталей: а

– 18ХГТ, б – 30ХГТ, в – 25ХГМ, г –

20ХГР, д – 27ХГР

Рис. 5 - Полосы прокаливаемости легированных улучшаемых сталей: а – 38ХС, б –

30ХГСА, в – 40ХФА, г – 30ХМА

Контрольные вопросы

1. Что называется прокаливаемостью стали?

2. Что характеризует полосы прокаливаемости?

3. Дайте понятие критическому диаметру.

4. Укажите основные факторы, влияющие на прокаливаемость.

5. Укажите основные характеристики прокаливаемости.

6. От чего зависит прокаливаемость стали?

7. Укажите возможные способы повышения прокаливаемости для де-

талей из стали 40Х.

8. Чем отличаются понятия закаливаемости и прокаливаемости?

9. Как определить прокаливаемость по химическому составу?

10. Влияет ли химический состав на прокаливаемость?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9, 10

Расчет параметров нагрева при закалке токами высокой частоты

и выбор оборудования

Цель занятия: освоить методику расчета параметров закалки токами

высокой частоты (ТВЧ) и выбор оборудования

Решаемые задачи:

1. На основании названных преподавателем размеров детали и марки

стали выбрать по справочникам исходные данные для расчета;

2. Провести расчет

параметров нагрева ТВЧ и выбор оборудования;

3. Сделать выводы.

1. Исходные данные для расчета:

− размеры детали;

− марки сталей;

− средняя теплоемкость стали при средней температуре процесса;

− средняя теплопроводность стали;

− температура закалки при нагреве в печи t

, °C;

− глубина закаленного слоя Х

, м;

− индуктор одновитковый цилиндрический.

2. Расчет времени нагрева

Время нагрева детали определяется по формуле

)(f

)Fo,,(SFo

τ=

βα+

, (1)

где to - температура поверхности детали при нагреве, °С;

Fo - критерий Фурье - безразмерное время;

S(α,1,Fо); S(α,β

,Fо); f(τ) - значения функций;

α - относительная глубина активного слоя;

- относительная координата рассматриваемого слоя;

τ - время нагрева детали, с.

Температуру поверхности детали можно принять равной

= t

+ 150, °С (2)

⋅

(3)

где a -коэффициент температуропроводности стали, м/с;

R-радиус детали, м;

ρ⋅

(4)

где λ- средний коэффициент теплопроводности стали, Вт/ (м⋅К) ;

с - средняя теплоемкость стали, кДж/(кг⋅К);

ρ - плотность стали, кг/м

−=α (5)

где Δ- глубина активного /по выделению тепла/ слоя, м.

⋅

, (6)

где Δ

- горячая глубина проникновения тока, м;

М – функция т и X

/ Δ

, которые находится по табл. 3;

т – относительный параметр, учитывающий изменение магнитной

проницаемости μ и удельного электросопротивления ρ

нагреваемой стали

(7)

где μ - относительная магнитная проницаемость стали, принимаемая в рас-

четах равной 16.

503,0

=Δ

(8)

где f- оптимальная частота тока, Гц

106

−

⋅

> .

(9)

Полученное значение частоты тока округлять в большую сторону до

ближайшего значения промышленной частоты, которая может быть равна

1000, 2500, 4000, 8000, 10000 или 66000 Гц.

Значения функции S(α, β, Fо) находятся по табл. 4; Затем задаваться

одним из значений критерия Фурье из табл. 4 и рассчитывать правую часть

уравнения (1). Если левая часть равна правой, то критерий Фурье задан пра-

вильно. Если же правая часть больше левой, то необходимо задаться боль-

шим или меньшим значением критерия Фурье и вновь произвести расчет.

(10)

Время нагрева находят из формулы (3) .

RFo

⋅

=τ

(11)

3. Выбор установки

Выбор типа установки осуществляется по требуемой мощности и часто-

те тока. В установках применяются такие преобразователи (генераторы) час-

тоты: при средних частотах (500-10 000 Гц) машинные преобразователи, а в

μ+

μ−

−=1

настоящее время преобразователи тиристорного типа с частотой 1000-4000

Гц; при высоких частотах (60 000 Гц и выше) ламповые преобразователи.

Мощность установки, расходуемая на нагрев детали Р

, определяется

по формуле:

nTU

SР

η⋅η⋅η

⋅

(12)

где Р

– удельная мощность, кВт/м ;

– поверхность нагрева, м

;

, η

- к. п. д. индуктора, трансформатора, преобразователя частоты

соответственно.

Удельная мощность, кВт/м

с учетом утечки тепла в осевом направле-

нии равна:

()

[]

Fo,,SFoD

10251

α+

⋅⋅λ⋅

−

(13)

где D - диаметр детали, м.

- температура поверхности детали при нагреве, К.

При определении поверхности нагрева S

использовать непрерывно-

последовательный способ нагрева с шириной нагрева равной 0,02 м. Коэф-

фициенты полезного действия принимать равными η

= 0,7; η

= 0,85 и η

=0,5; 0,7 или 0,9 соответственно для ламповых, машинных и тиристорных

преобразователей.

Промышленностью выпускаются следующие типы установок:

1. C машинными преобразователями И39-100/2,4; И39-200/2/4; И35-

250/2,4; И31-160/4; И31-250/4, И32-500/4, ИЗ10-100/8, И37-200/8, И32-

250/10;

2. Тиристорные преобразователи ТПЧ-800/I; ТПЧ-250/2,4; ТПЧ-

500/2,4; ТПЧ-160/4 и установки И31-160/4, ИЗ10-200/8 (где первая цифра по-

сле тире - мощность преобразователя в кВт, вторая цифра – частота тока в

тысячах герц);

3. С ламповыми преобразователями ВЧЗ 4-60/0,066; ВЧЗ 1-100/0,066;

ВЧЗ 1-160/0,066; ВЧГ 9-60/0,44; ВЧГ 7-160/0,44 (где первая цифра после тире

- мощность в кВт, вторая цифра - частота в мегагерцах).

Рекомендуется следующий порядок применения формул для расчета:

10-5, 2, 1, 4, 11, 13, 12.

Таблица 3

Значения

)

(fМ

, при т=const

Значения М при m, равном

-0,3

-0,4

-0,5

-0,6

-0,7

-0,8

-1,0

0,0

0,539

0,429

0,333

0,250

0,177

0,111

0,000

0,1 0,559 0,452 0,368 0,293 0,215 0,147 0, 100

0,2 0,603 0,508 0,433 0,369 0,313 0,266 0,200

0,3 0,658 0,572 0,503 0,447 0,402 0,390 0,300

0,4 0,707 0,642 0,578 0,532 0,488 0,474 0,400

0,5, 0,764 0,705 0,646 0,614 0,578 0,550 0,497

0,6 0,813 0,770 0,730 0,690 0,658 0,637 0,592

0,7 0,862 0,820 0,794 0,770 0,742 0,720 0,685

0,8 0,902 0,878 0,848 0,834 0,820 0,800 0,769

0,9 0,935 0,918 0,902 0,902 0,894 0,870 0,852

1,0 0,970 0,962 0,953 0,953 0,944 0,944 0,925

Таблица 4

Значение функции S(α,β,Fо) для цилиндра при различных значения крите-

рия Fo

Значение функции

S(α,β,F

) при β, равном

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,025

1,0 0,0712 0,0289 0,0018 -0,0133 -0,0205 -0,0234

0,9 0,0490 0,0317 0,0037 -0,0120 -0,0201 -0,0233

0,8 0,0326 0,0278 0,0115 -0,0068 -0,0169 -0,0217

0,7 0,0211 0,0196 0,0138 0,0116 -0,0117 -0,0191

0,6 0,0132 0,0129 0,0110 0,0063 -0,0036 -0,0141

0,05

1,0 0,0906 0,0458 0,0120 -0,0122 -0,0283 -0,0382

0,9 0,0677 0,0480 0,0137 -0,0110 -0,0272 -0,0373

0,8 0,0491 0,0426 0,0209 -0,0049 -0,0227 -0,0342

0,7 0,0345 0,0317 0,0221 0,0043 -0,0155 -0,0289

0,6 0,0233 0,0220 0,0179 0,0094 -0,0054 -0,0214

0,1

1,0 0,1093 0,0630 0,0241 -0,0077 -0,0328 -0,0519

0,9 0,0860 0,0646 0,0310 -0,0063 -0,0316 -0,0508

0,8 0,0658 0,0576 0,0318 -0,0006 -0,0263 -0,0462

0,7 0,0488 0,0448 0,0314 0,0083 -0,0183 -0,0391

0,6 0,0347 0,0329 0,0260 0,0131 -0,0073 -0,0295

0,15

1,0 0,1175 0,0705 0,0297 -0,0050 -0,0339 -0,0574

0,9 0,0939 0,0720 0,0312 -0,0037 -0,0336 -0,0562

0,8 0,0732 0,0645 0,0360 0,0190 -0,0273 -0,0512

0,7 0,0553 0,0508 0,0362 0,0105 -0,0192 -0,0434

0,6 0,0400 0,0375 0,0294 0,0147 -0,0080 -0,0329

0,2

1,0 0,1250 0,0775 0,0350 -0,0025 -0,0350 -0,0625

0,9 0,1013 0,0788 0,0363 -0,0012 -0,0037 -0,0612

0,8 0,0800 0,0708 0,0417 0,0042 -0,0283 -0,0558

0,7 0,0613 0,0563 0,0404 0,0125 -0,0200 -0,0475

0,6 0,0450 0,0421 0,0329 0,0164 -0,0087 -0,0362