книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Необходимо сказать также несколько слов о месте индукцион­ ной закалки в последовательности операций обработки изделия. С нашей точки зрения индукционная закалка должна произво­ диться после механической обработки, включая шлифовку, так как при механической обработке сталь подвергается как механи­ ческому, так и тепловому воздействию, которое может привести к нежелательному изменению структуры и свойств. Хотя некото­ рые исследователи [18] и пришли к выводам о том, что шлифовка после индукционной закалки не снижает предела усталости, однако эти выводы еще нуждаются в проверке. Работы, выпол­ ненные за последнее время [27], показали, что незначительное отклонение от правильного режима шлифовки приводит к прижогам, снижению твердости, а также возникновению растягиваю­ щих напряжений в поверхностных слоях. Необходимость после­ дующей шлифовки в значительной степени отпадает также и потому, что при индукционной закалке поводка и коробление изделия уменьшаются до весьма малых величин.

Рассмотрев влияние различных факторов на результаты индук­ ционной закалки, целесообразно подвергнуть анализу опубли­ кованные работы по индукционной закалке углеродистой стали.

Первой работой, в которой была поставлена задача исследова­ ния влияния индукционной закалки на усталостную прочность конструкционной углеродистой стали марки 40, явилась работа Шлейера и Одинга [24 ]. В этой работе был получен низкий пре­ дел усталости после индукционной закалки.

Неудачные результаты этих опытов, неоднократно упомина­ емые в литературе, объяснялись главным образом тем, что закалке подвергалась только цилиндрическая часть образца, в то время как галтель оставалась неупрочнеиной. Разрушение образцов

учтен опыт предыдущих исследований. Авторы подобрали такие режимы обработки, которые обеспечивали получение равномер­ ного слоя на рабочей части и галтели образца. Однако и в этой работе не было достигнуто эффективное повышение усталостной прочности при поверхностной закалке. Максимальное значение предела усталости образцов из стали 40 диаметром 10 мм после индукционной закалки составило 45,0 /сг/лш2, что превышает предел усталости этой стали, определенный на таких же образ­

Для рассматриваемой работы Кудрявцева и Новикова харак­ терно также получение недостаточно высокой твердости при индукционной закалке. Максимальное значение твердости не превышало Я/?с = 54—56. Такое значение твердости, являющееся

высоким при обычной закалке, при индукционной закалке может быть повышено на несколько единиц.

5)

В этой работе контроль температуры отсутствовал. Приведенные данные показывают, что в рассматриваемой

работе авторам не удалось достигнуть таких режимов обработки, при которых были бы полностью использованы преимущества поверхностной индукционной закалки.

Отсутствие необходимых сведений не позволяет нам составить определенное мнение о причинах заниженных результатов; однако приведенные в работе данные позволяют высказать пред­ положение о том, что причиной являлась недостаточная мощность высокочастотной установки (для выбранного типа образцов) и, как следствие этого, малая скорость нагрева (ориентировочно оцениваемая нами в 200—300°/сек.).

Наиболее высокие результаты были получены в работе Коссого [4]. Коссой совершенно справедливо считает, что повышение усталостной прочности при индукционной закалке должно идти по пути предварительного улучшения структуры, подбора опти­ мальных параметров слоя и повышения скорости нагрева. Автор рассматриваемой работы правильно указывает на недостаточную мощность наиболее распространенных высокочастотных устано­ вок для обработки крупных изделий. С целью ускорения индук­ ционного нагрева применялся предварительный подогрев на раз­ личные температуры (200, 400 и 600°). За счет правильного исполь­ зования указанных выше факторов удалось получить более высокое значение твердости усталостных образцов, изготовлен­ ных из стали 45, доходящее до Нрс = 57—59, а также малую

ширину переходной зоны; однако от одновременного использо­ вания действия всех факторов, повышающих усталостную проч­ ность, автор отказался. В работе выяснялось лишь влияние каждого из факторов в отдельности. Это привело к тому, что хотя полученные значения и превысили данные других исследо­ вателей, однако, они еще не являются предельными. Максималь­ ное значение предела усталости 57,5 кг/мм2 было достигнуто на образцах диаметром 18 мм с нормализованной исходной струк­ турой при применении предварительного подогрева.

Анализируя выводы данной работы, нельзя не остановиться на одной принципиальной ошибке ее автора. Определение вели­ чины и характера распределения остаточных напряжений в зави­ симости от различных факторов производилось в работе на образ­ цах диаметром 60 мм при малых значениях отношения площади закаленного слоя к площади незакалениой сердцевины, в то время как исследование усталостной прочности производилось на образ­ цах диаметром 18 мм при тех же значениях глубины слоя и, следовательно, при значительно больших отношениях площади закаленного слоя к площади сердцевины. Как указывалось Еыше, возможны три варианта разрушения от усталости в зависимости от глубины слоя, причем в каждом случае наблюдается свое влияние факторов, приводящих к упрочнению или разупрочне­ нию. Отсюда следует, что применяя закономерности, установлен-

52

В качестве источника токов высокой частоты был использо­ ван высокочастотный генератор типа Л60А мощностью 60 кет, работающий на двух лампах типа Г431.

Настройка генератора осуществлялась за счет изменения количества групп емкостей, положения регулятора закалочного трансформатора и положения штурвала обратной связи. При обработке образцов всех серий регулятор закалочного транс­ форматора устанавливался в положение, соответствующее мак­ симальной мощности. Включались. все группы емкостей. Регу­ лировка осуществлялась только за счет изменения положения штурвала обратной связи. Такая регулировка была выбрана после ряда предварительных опытов, как обеспечивающая полу­ чение наивысшей твердости без значительного повышения тем­ пературы нагрева. При выбранной регулировке частота тока, определенная при помощи волномера, составляла 187 500 гц.

Для проверки правильности выбора частоты тока нами были использованы рекомендации Вологдина ' l l ] об оптимальной частоте тока, необходимой для получения заданной глубины закалки. Подсчет, произведенный на основании этих рекоменда­ ций (с учетом поправки на кривизну обрабатываемой поверх­ ности), показал, что данная частота является оптимальной для получения закалки глубиной 1,2-т-2,0 мм. В нашей работе пред­ полагалось производить закалку на глубину, равную или близ­ кую к этим значениям. Таким образом, полученная частота вполне нас устраивала.

Закалка образцов осуществлялась непрерывно последователь­ ным способом. При закалке образец вращался со скоростью 800—900 об/мин.

Нагрев образцов осуществлялся в индукторе из медной трубки с внутренним охлаждением. Эскиз индуктора представлен на фиг. 4. Подача воды для охлаждения при закалке производилась под давлением 2,5-s-3,0 am через спреер, изображенный на фиг. 5. Расстояние между индуктором и спреером составляло 10 мм. Более близкое взаимное расположение индуктора и спреера хотя и было желательно с целью получения закалки без возмож­ ного подстуживания, однако, оказалось невозможным, так как в этом случае вода заливала индуктор, что приводило к неравно­ мерному нагреву и охлаждению закаливаемой поверхности.

Температура при закалке замерялась посредством оптиче­ ского потенциометра, работающего по принципу исчезающей

нити.

Так как нагрев производился с весьма высокой скоростью (доходящей до 1200в/сек.), а на замер температуры отводился весьма непродолжительный отрезок времени (3—4 сек.), то с целью повышения точности замеров и предупреждения возмож­ ных ошибок был применен пирометр, работающий не по прямой, а по потенциометрической схеме, которая позволяет быстрее осу­ ществлять настройку на замеряемую неизвестную температуру.

55

Примененный прибор обладает весьма растянутой шкалой тем­ ператур (около 1° в мм).

Для выяснения влияния магнитных полей, создаваемых высокочастотным генератором, было произведено сравнение пока­ заний прибора при замере температур образца и соляной ванны. Сравнение накаленной нити при одном и том же показании при­ бора с поверхностью образца и с поверхностью ванны показало,

что расхождения в показаниях не превышают 10°, т. е. не выхо­ дят за пределы погрешности прибора.

Кроме указанной проверки, прибор проверялся при несколь­ ких температурах по поверхности соляной ванны и массивной плиты, температура которых замерялась контрольной термо­ парой. Расхождение в показаниях контрольной термопары и

различных режимах (замер производился снизу при более низком положении спреера, чем при закалке) было установлено, что внутри индуктора максимальная температура на поверхности образца, превосходит температуру, замеряемую на выходе из

56

С нашей точки зрения соблюдение этих условий должно было обеспечить получение высокой усталостной прочности при опти­

денит) при температуре закалки 865—880°. По мере возраста­ ния температуры закалки величина игл возрастает незначи­

из сравнения приводимых структур, величина игл мартенсита при индукционной закалке с температуры 915° не превышает таковую у мартенсита обычной закалки.

Таким образом, превышение температуры обычной закалки на 85е в наших опытах не привело к получению крупноиголь­ чатого мартенсита., характеризующего перегрев.

59