книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

центральной зоны, которые имеют сходство в начальных

иконечных участках, но существенно отличаются в средней части (рис. 4.1). Кинетические кривые нагрева первого типа одинаковы для различных по форме образцов из инструментальных сталей У12А, 9ХС, Р9 и Р18 и конструкционной стали 40Х, этот тип кинетических кривых соответствует нагреву

ниже точки А1 и характеризуется отсутствием остановки на термической кривой. Начальный участок 1–2 кривой этого типа может быть назван инерционным; он относится к периоду существования корки соли на поверхности образца, во время которого теплота, распространяющаяся от поверхности в глубь образца, медленно достигает его центра. Во втором периоде на участке 2–3 температура в центре образца вначале медленно, а затем быстро повышается; последнее связано с плавлением корки соли на поверхности образца и интенсивным притоком теплоты в его центральную зону за счет вовлечения в процесс нагрева всех слоев образца. В третьем, регулярном периоде нагрева на участке 3–4 изменение температуры в центре образца следует закону затухающей кривой. Это связано с непрерывным уменьшением теплового потока вследствие уменьшения разности температур образца

инагревающей среды. Для кривой 1, зафиксированной при

Рис. 4.1. Характер кривых нагрева центральной зоны стальных образцов (tп – температура печи): I – сталь 40Х; II – сталь У12А; III – стали 9ХС и 40Х; IV – стали Р18 и Р9; I – нагрев ниже точки А1; II–IV – нагрев выше точки А1

131

нагреве ниже А1, третьим периодом заканчивается процесс нагрева.

Значительно сложнее протекает процесс нагрева, когда температура нагревающей среды превышает точку А1 и на ход кривых накладывается эндотермический эффект перлит- но-аустенитного превращения (кривые II–IV). Это превращение начинается неодновременно по сечению, и фронт превращения распространяется от поверхностных наиболее нагретых слоев в глубь образца. При этом количество теплоты, расходуемой вследствие превращения, непрерывно изменяется во времени. Регулярный режим нагрева центральной зоны образцов нарушается, как только начинается эндотермическое превращение в поверхностной зоне и вследствие этого происходит ослабление теплового потока, поступающего к центру образца: начиная с некоторой точки 4, лежащей на 30–70 °С ниже точки А1, подъем кривых II и III затухает. Ход этих кривых выше точки 4 определяется особенностями превращения, обусловленными химическим составом стали. Наиболее значительно тепловой эффект перлитно-аустенит- ного превращения обнаруживается на кривой нагрева стали У12А (кривая II), в которой перлит является преобладающей структурной составляющей; точка перегиба 6 на кривой II соответствует, по-видимому, моменту наиболее интенсивного превращения. Температурный интервал, в котором протекает перлитно-аустенитное превращение в этой стали (участок 5–7) в условиях нагрева в электродной соляной ванне, очень невелик и составляет 4–8 °С.

Кривая нагрева образцов из сталей 9ХС и 40Х (кривая III) характеризуется хорошо заметным перегибом в районе превращения (участок 5–7). В этих сталях вследствие присутствия легирующих элементов превращение протекает в более широком интервале температур, и подъем кривых нагрева даже в период наибольшего развития превращения происходит достаточно интенсивно. Кроме того, из-за более

132

в приближенных расчетах времени сквозного нагрева заэвтектоидных сталей эти различия можно не принимать во внимание.

4.3. Особенности расчета времени нагрева (охлаждения) изделий в расплавах солей

Вслучае нагрева изделий в расплавах солей, щелочей, металлов длительность нагрева определяют по методике расчета нагрева массивных тел. При охлаждении расчет времени

ведут в режиме tп = const по температурным интервалам, для которых усредняют коэффициенты теплоотдачи. Значения коэффициента α даны в работах [1, 11, 16]. Однако применение аналитических методов расчетов, вследствие многочисленности факторов, влияющих на кинетику нагрева, весьма ограниченно.

Упрощенные методы расчета времени сквозного нагрева стальных изделий в соляных ваннах даны в работах [1, 5, 8, 17].

Вэтих расчетах пользуются эмпирическими формулами,

учитывающими характеристический размер (V/F) изделия и различные коэффициенты, связанные с материалами изделий и условиями нагрева.

Для тел простой формы время сквозного нагрева можно вычислять по формуле

τсп = (K1 · V · Kф)/F,

где V – объем гладких тел простой формы, см3; F – полная тепловоспринимающая поверхность, см2 .

Характеристический размер (V/F) можно определить, пользуясь данными табл. 4.1.

134

Таблица 4.1

Формулы, выражающие отношение объема тел простой формы к их поверхности

K1 – коэффициент, характеризующий удельное время прогрева и зависящий от прогрева материала изделий и условий нагрева, т.е. состава и температуры нагревающей среды (табл. 4.3); Kф – критерий формы; Kф – относительная величина, равная единице для идеальных по форме гладких тел, т.е. тел все точки поверхности которых одинаково удалены от центра. К таким идеальным телам относят шар, цилиндр неограниченной длины и пластину неограниченной длины и ширины. Для других тел Kф определяют по формулам табл. 4.2.

135

Таблица 4.2

Формулы для определения критерия формы Кф различных тел

136

Окончание табл. 4.2

137

Таблица 4.3

Значения коэффициента К1 при нагреве инструментальных сталей в различных средах

*Предварительный подогрев до 400–500 °С

**Предварительный подогрев до 860–800 °С в солевом рас-

плаве.

***Нагрев при отпуске в расплаве KNO3.

138

При обработке изделий с высокой изрезанностью поверхности, например инструмент с резьбой (плашки), резьбонакатные ролики и др. при расчете времени нагрева следует учитывать еще коэффициент изрезанности – Ки, значение которого приведены в табл. 4.4. Тогда формула принимает вид τсп = (К1 · V · Кф · Ки)/F.

Таблица 4.4 Значение коэффициента Ки для различных инструментов

139

Для длинномерных изделий, у которых отношение длины к диаметру или толщине 5:1 и более, можно принять, что время прогрева (с) пропорционально их диаметру или толщине.

Тогда для сплошных цилиндров

τсп = K2 · D;

для полых цилиндров

τсп = K2(D – d),

где K2 – коэффициент, учитывающий удельное время прогрева, с/мм; D – диаметр цилиндра, мм; d – диаметр отверстия полого цилиндра, мм.

Длинномерный инструмент может быть не только цилиндрической формы, но и пластины и призмы с достаточно изрезанной поверхностью (сверла, плоские протяжки) и тогда в расчет необходимо ввести коэффициент изрезанности или использовать коэффициент N, учитывающий К2 и Ки. Тогда формула принимает вид

для цилиндра

τсп = N · D,

для пластины

τсп = N · С,

где С – толщина пластины, мм.

Значения коэффициентов К2 и N приведены в табл. 4.5. При расчете времени необходимо учитывать, что все коэффициенты, приведенные в таблицах, даны для условий свободного омывания изделий нагревающей средой. При нагреве в приспособлениях, погружаемых в расплав вместе с изделиями, расчетное время необходимо увеличить на 20–

30 %.

140