Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

41

Рис. 9 - Относительная температура

θ

по оси цилиндра при значениях Фурье от 0 до 15

2.2. Расчет времени выдержки при цементации

Расчет продолжительности цементации:

D

Тi

м

ц

⋅

α

=τ

2

, (12)

где

ц

τ

- продолжительность цементации, с (с переводом в ч, мин);

Тi -критерий Тихонова (число гомохронности полуограниченных тел),

который находится по графикам зависимости θ-Ti-Bi (рис. 7);

м

α

- коэффициент поверхностного массообмена, характеризующий ин-

тенсивность адсорбции насыщающего элемента, (принимается для науглера-

живающей атмосферы

м

α

=1,2⋅10

-5

), см /с ;

D - коэффициент диффузии, см

2

/с.

Для практических расчетов величина D при насыщении углеродом ре-

шетки γ -железа в диапазоне температур 750-1 250 °С и концентраций 0,1-

1,0% углерода можно использовать соотношение:

RT

c

еC),,(D

32000

060070

−

⋅⋅−=

, (13)

42

где С

с

- средняя концентрация углерода по глубине слоя, выраженная в весо-

вых процентах;

R - газовая постоянная ( R =1,98), ккал/ (моль-К);

Т - температура цементации, К.

Длительность насыщения при нитроцементации (850 °С) одинакова с

длительностью насыщения при газовой цементации с температурой 930 °С.

Средняя концентрация углерода находится из выражения:

)СC(C

глпрc

+=

2

1

, (14)

где

пр

C- предельная концентрация углерода на поверхности деталей

(

пр

C =1,1 %);

гл

С

- концентрация углерода на заданной глубине диффузионного слоя

(

гл

С =0,45%):

Критерий Био (безразмерное отношение внутреннего и внешнего сопротив-

ления переносу тепла):

D

Вi

т

δ

α

=

, (15)

где δ - глубина науглероженного слоя, см.

Безразмерная относительная концентрация:

стпр

стгл

СС

−

=

θ

, (16)

где С

ст

- начальная средняя концентрация углерода в стали, %

Используя графики θ=f(Ti, Bi) находится критерий Тихонова (рис. 7)

и рассчитывается время выдержки при цементации - τ

ч

.

Расчет продолжительности подстуживания

Время охлаждения центра стопки деталей или отдельных деталей до

температуры подстуживания:

эф

o

n

SF

α

τ

2

)2/(

=

(17)

Таким же образом, как и для зоны нагрева вычисляются темпера-

турный критерий (формула II), коэффициенты эффективной температуро-

проводности (10) и теплопроводности (8,9), эффективный коэффициент теп-

лоотдачи (7,6,5,4) и критерий Био (З).

При расчете температурного критерия (II) температура труб и внут-

ренней поверхности кладки принимается равной нижнему пределу темпера-

43

туры подстуживания, а температура (металла) деталей конечная - верхнему

пределу температуры подстуживания.

При расчете коэффициента теплоотдачи излучением (5) средняя тем-

пература поверхности деталей определяется из соотношения:

[

]

,)tt(/tТ

мкмнмнм

27332

+

−

=

[К], (18)

где t

мн

- температура цементации, °С ;

t

мк

- температура подстуживания (закалки), °С.

Используя графики

),( FoBif

=

θ

(рис. 8,9), находится эффективный

критерий Фурье и затем рассчитывается время охлаждения до температуры

подстуживания формула (17).

2.4. Расчет суммарного времени цементации

nцн

τ

+

=

∑

3. Расчет продолжительности охлаждения при закалке

Время охлаждения деталей:

эф

g

охл

a

)

S

(Fo

2

=τ

, (19)

где S

g

- эффективное сечение детали, м.

Таким же образом, как и для зоны нагрева рассчитывается темпе-

ратурный критерий:

мн

мк

tt

−

=

3

θ

°С , (20)

где t

3

- температура закалочной среды (при обычной закалке в масло - 40 °С,

при ступенчатой закалке равна нижнему пределу температуры ступени; при

закалке в воде -20 °С);

t

мк

- температура металла конечная (при обычной закалке - 100 °С, при

ступенчатой равна верхнему пределу температуры ступени);

t

мн

- температура металла начальная (верхний предел температуры под-

стуживания).

Коэффициент эффективной температуропроводности:

ρ

λ

с

a

м

эф

=

, (21)

Коэффициент теплопередачи масла α

м

=580 Вт/(м

2

⋅К), воды α

в

=3500

Вт/(м

2

⋅К), воздуха α

вх

= 35 Вт/(м

2

⋅К).

Эффективный критерий Вио:

44

м

g

S

Вi

λ

α

)2/(

=

(22)

где α- коэффициент теплопередачи закалочной среды, Вт/(м

2

⋅К);

λ

т

- средний коэффициент теплопроводности металла деталей, Вт/(м

2

⋅К).

Затем находится критерий Фурье и рассчитывается время охлаждения.

Рекомендуется следующий порядок выбора формул для расчета: 11, 8,

10, 7-2; 11, 14, 13, 15, 12; 11, 6, 5, 9, 10, 3, 17; 32,31,30,29. При выборе воды,

как закалочной среды в расчетные формулы вводятся данные по теплопере-

даче для воды.

Таблица 5

Физические свойства углеродистых и низколегированных сталей

Свойства Температура t, °С

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Углеродистых

Средняя теплоемкость, с

от 0 до t °С, Дж/кг⋅К

486

507

532

540

561

590

620

695

691

Коэффициент теплопроводности,

λ, Вт/м⋅К:

- малоуглеродистых

- среднеуглеродистых

- высокоуглеродистых

55,6

49,3

46,5

52,7

48,1

44,0

48,5

45,6

40,8

45,0

42,4

37,7

40,8

39,1

37,1

35,7

32,3

34,2

32,4

29,2

30,1

26,2

24,1

27,3

26,0

25,2

27,7

26,9

26,5

Низколегированных сталей

Средняя теплоемкость, с

от 0 до t °С, Дж/кг⋅К

486

502

519

536

548

586

645

695

687

674

Коэффициент теплопроводности,

λ, Вт/м⋅К:

- хромистых

- марганцовистых

- хромокремнистых

- кремнемарганцовистых

- хромомолибденовых

- хромованадиевых

- хромоникелевых

44,8

41,5

-

41,5

43,8

52,3

38,4

42,2

40,0

38,7

41,5

41,9

48,7

37,9

39,3

38,8

-

39,4

41,3

-

36,8

36,4

37,0

35,9

39,0

39,4

45,4

36,8

-

35,2

33,5

36,3

36,5

41,9

34,5

32,6

34,3

32,6

34,9

32,3

-

32,4

-

30,9

-

33,7

29,8

-

28,0

26,7

26,4

26,73

32,6

29,1

-

27,2

-

28,5

-

26,4

-

27,7

Таблица 6

Физические свойства углеродистых и легированных сталей

Свойства Температура t, °С

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Плотность,ρ, кг/м

3

стали 08

20

У8

30Х

30ХН3

50С2Г

7832

7834

7829

7818

7824

7703

-

7730

7736

7731

7718

7727

7605

-

7613

7617

7612

7603

7625

7495

-

7543

7548

7485

7525

7522

7392

45

Свойства Температура t, °С

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Коэффициент теплопро-

водности, λ, Вт/м⋅К:

стали 08

20

У8

30Х

30ХН3

50С2Г

57,7

51,1

48,1

46,5

36,0

28,5

53,5

48,5

45,1

44,4

36,9

30,2

49,4

44,4

41,4

42,3

36,9

31,1

44,8

42,7

38,1

38,5

36,5

31,1

40,2

39,3

35,2

35,6

35,2

31,1

36,1

35,6

32,7

31,9

33,5

30,2

31,9

30,1

28,8

29,3

28,0

29,5

25,9

24,3

26,1

25,1

26,7

26,4

25,7

26,7

26,4

25,6

27,7

26,9

28,0

27,7

26,4

Средняя теплоемкость, с

от 0 до t °С, Дж/кг⋅К

стали 08

20

У8

30Х

30ХН3

50С2Г

486

494

477

502

515

507

494

511

519

532

511

528

540

548

536

528

644

561

589

565

548

565

590

595

586

582

595

628

619

624

615

628

682

703

716

703

687

695

703

708

687

669

687

695

699

678

662

678

Пример

расчета параметров XTО

1. Исходные данные: детали - шаровые пальцы с характерным раз-

мером 30-50 мм; S = 0,285 м ;

способ укладки - стопкой на поддоне; сталь 20ХМ; температура цементации

– (930+10) °С; подстуживания – (890 + 10) °С; глубина науглероживания -

0,9 мм.

2. Расчет времени нагрева.

[]

с/м,

),(

,

Км/Вт,

),)(,(,

),(,,

.

эф

24

2

10090

5017800700

724

50116601501

16601501233

0820

20100

920100

−

⋅=

−⋅⋅

=

−−−

−−

=

−

=

α

λ

θ

46

минчч,с

,

,,

.Fo,

,

,,

В

Км/Вт,,,

Км/Вт,

м/Вт,q

К/Т

Км/Вт,

,

,,

С

н

i

л

м

пр

30345312409

10090

1425055

55550

724

14250295

29567921

679

8931273

32250

30250

100

893

100

1273

521

89327362093032

521

11

450

1

6901

480

1

680

680775

4

2

44

42

≈==

⋅

=

==

⋅

=

=⋅=

=

−

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

=+=⋅=

=

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

=

−

∑

τ

α

3. Расчет времени цементации

ч,с

,

,,

,Тi,,

,

,,

В

с/см,e)...(D

%,),,(С

,

,,

ц

i

.

с

3726232

1021

1071174

74326

10711

10901021

107117750060070

775045011

2

1

2780

2011

20450

102

72

7

15

27

1203981

32000

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

⋅⋅⋅

=

⋅=⋅+=

=+=

=

−

=θ

−

−−

−

⋅

−

4. Расчет времени подстуживания

2

22

2

44

1237370331

5167124216139

11531176

3210

32102112521

100

1186

100

1153

521

20

930880

900880

м/Вт,,,

Км/Вт,,,Км/Вт,

м/Вт,,q

,

эф

л

=⋅=

=⋅==

−

=

=⋅=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

−

=

∑

λ

αα

θ

47

ч,с

,

,,

,Fо,,

,

,,

В

с/м,

,

n

i

эф

515495

100850

1425032

320331

123

142505167

100850

507800700

123

4

2

24

==

⋅

=

==

⋅

=

⋅=

⋅⋅

=

−

τ

α

5. Общее время цементации

ч3,125,13,75,3

=

++

=

∑

τ

6. Расчет продолжительности охлаждения при закалке при охдаждении в

масле при S

g

= 100 мм

)кгК/(ДжС

)мК/(Вт,

,,

,

.

)/.(

Bi

т

486

1536

2

843528

80

1536

2100580

100

=

+

=

⋅

=

λ

минс

)/,(,

,Fо,,

с/м

,

охл

201194

109

21034

340710

89040

10040

109

7850486

1536

6

2

6

==

⋅

=

==

−

=

⋅=

⋅

=

−

τ

θ

α

При охлаждении в воде:

минс

),(,

,Fо,,

,

Bi

охл

7416

109

05051

510920

89020

10020

844

1536

0503500

6

2

≈=

⋅

=τ

==

−

=θ

=

⋅

=

−

48

Приложение

Значения коэффициента диффузии при различных температурах

(для справки)

Температура, °С Температура,

К

Х

е

х

⋅

10

-6

D⋅10

-7

,см

2

/с

900

910

920

930

940

950

960

1173

1183

1193

1203

1213

1223

1233

−

13,778

−13,6615

−13,547

−13,4344

−13,32366

−13,21472

−13,10755

1,03822

1,1665

1,308

1,4639

1,6353

1,8236

2,0298

1,2095

1,3590

1,5224

1,7054

1,9051

2,1245

2,3647

ссмe /1058.1

264344.13 −−

⋅=

Варианты расчетов

1. Глубина слоя равна 0,9 мм

278,0

=

θ

ч,с

,

,,

,Тi;

.

..

Bi,.Dдля.

ч,с

,

,,

,Тi;.

.

..

Bi,.Dдля.

ц

4726450

1021

108164

646

1081

10901021

10812

5830488

1021

104165

6577

1041

10901021

10811

102

72

7

15

7

10

72

7

15

7

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

⋅⋅⋅

=⋅=

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

⋅⋅⋅

=⋅=

−

−−

−

−−

−

2. Глубина слоя равна 1,2мм

49

ч,

,

,,

,Ti;

,

,,

Вi;.Dдля.

ч

,

,,

,Ti;,

,

,,

Вi,,Dдля.

ц

71142050

1021

108185

858

1081

10211021

10812

1450400

1021

104127

27310

1041

10211021

10411

102

72

7

15

7

102

72

7

15

7

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

⋅⋅⋅

=⋅=

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

=⋅=

−

−−

−

−−

−

2. Глубина слоя равна 1,2мм

ч,

,

,,

,Ti;

,

,,

Вi,,Dдля

ц

151968941

1021

101159

5913

1011

10211021

1011

102

72

7

15

7

==

⋅

⋅⋅

=τ

==

⋅

⋅⋅⋅

=⋅=

−

−−

−

Контрольные вопросы

1. Укажите исходные данные для расчета времени нагрева, выдержки,

подстуживания, охлаждения изделия для выбранной схемы термообработки.

2. Как рассчитывается продолжительность газовой цементации

3. Предложите меры предупреждения деформации при ХТО детали,

рассматриваемой на семинарских занятиях.

4. Для уменьшения или устранения деформации используется эффект

кинетической пластичности. Оцените возможность и необходимость его

использования в технологии ХТО

детали, рассматриваемой на семинарских

занятиях.

5. В разработанной на семинарском занятии технологии ХТО есть от-

пуск. Укажите его вид, цель, получаемые структуры и твердость.

6. Укажите режимы окончательной термической обработки после ХТО.

7. Опишите методику расчета времени выдержки при цементации.

50

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 15, 16

Выбор и расчет состава нейтральной контролируемой атмосферы

Цель занятия: освоить методику расчета и выбора нейтральной кон-

тролируемой атмосферы при нагреве сталей

Решаемые задачи:

1. Выбрать температурные параметры процесса, заданного преподава-

телем, в зависимости от вида термической обработки;

2.

Рассчитать содержание отдельных компонентов контролируемой

атмосферы в зависимости от состава нагреваемых сталей;

3.

Определить температуру точки росы контролируемой атмосферы;

4.

Выбрать согласно справочных данных тип атмосферы;

5.

Сделать выводы.

I. Исходные данные:

− марки углеродистых сталей (20, 25, 30, 35,40, 45, 50, 60, 65, 70,

75, 85, У7, У8, У9, У10, У12);

− температура закалки или отжига этих сталей (910, 900, 860,

850, 850, 840, 840, 840, 800, 830, 820, 820, 820, 790, 770, 780,780 °С).

2. Расчет состава нейтральной контролируемой атмосферы

Для защиты стальных изделий от окисления и обезуглероживания при

их термической обработке атмосферу в рабочем пространстве можно искус-

ственно поддерживать заданного состава. Такую атмосферу принято назы-

вать контролируемой или защитной.

Компоненты печной атмосферы разделяются на группы по характеру

их взаимодействия со сталью (табл. 7)

Таблица 7

Группы печной атмосферы и их состав

Действие на сталь Название газа Химическая формула

Окисляющее Сернистый ангидрид

Кислород

Двуокись углерода

Водяной пар

SO

2

O

2

CO

2

H

2

O

Восстанавливающее Водород

Окись углерода

Метан

H

2

CO

CH

4

Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.