Термический цех или участок – это помещение с необходимым для термической обработки оборудованием и механизмами, а также с мощной приточно-вытяжной вентиляцией.
Для нагревания стали используют кокс, горючие газы, нефть, а также электрический ток.
Различают следующие виды термических печей: электрические, газовые, печи, работающие на жидком и твердом топливе, а также установки для нагрева токами высокой (ТВЧ) и промышленной частоты. В небольших цехах и мастерских используют печи с газовым, нефтяным или коксовым нагревом.
Наиболее широко для нагрева при термообработке используют электропечи: камерные с металлическими или карборундовыми нагревателями, шахтные, печи-ванны, тигельные печи-ванны, конвейерные, толкательные, барабанные.
Охлаждение стали можно производить на воздухе, в воде, водных растворах, маслах, жирах и на стальных плитах. Оборудование для охлаждения – это ванны и баки с охлаждающей жидкостью, как правило, проточной, баки с внутренним змеевиком для подогрева жидкости и другое оборудование.
4.3. Измерение температуры и твердости стали
Определение температуры при термической обработке можно производить на основании цвета излучения нагретой стали или с использованием измерительных приборов.
Ориентировочно температуру можно определить по цвету нагретого металла (табл. 23).
Таблица 23 Цвета стали при различных температурахК измерительным приборам для измерения температур относятся различные термометры (манометрические термометры, термометры сопротивления и др.), термопары, оптические пирометры, термоэлектрические пирометры и термокарандаши.Используют следующие методы определения твердости металла. Неточные методы: проба напильником, проба по цвету искры при заточке изделия на шлифовальном круге (см. также п. 3.3). Точные методы определения твердости: по Бринеллю (вдавливание стального шарика в исследуемый металл, обозначение твердости HB ), по Роквеллу (вдавливание в исследуемый металл алмазного конуса, обозначения HR, HRB, HRC и HRA ), по Виккерсу (вдавливание в исследуемый материал алмазной пирамиды, обозначение HV ), а также по методу упругой отдачи Шора (по высоте отскакивания шарика или бойка от обработанной поверхности, обозначение HSD ).
4.4. Отжиг стали
Отжигом называют термическую операцию, заключающуюся в нагревании материала до определенной температуры, выдерживании его при этой температуре и медленном охлаждении.
Целью отжига углеродистой стали является снятие внутренних напряжений, получение мелкозернистой структуры стали, уменьшение твердости, улучшение обрабатываемости, а также увеличение пластичности и вязкости стали.
Различают следующие виды отжига углеродистых сталей: для снятия наклепа, диффузионный, рекристаллизационный, изотермический, на зернистый перлит, нормализация.
Диффузионный отжиг – нагревание стали до температуры 1000–1250 °C (оптимальная температура 1150 °C), выдерживание при этой температуре в течение определенного времени и последующее медленное охлаждение в течение 6–8 ч до температуры 800–890 °C в печи, а затем – на воздухе. Целью этой операции является уменьшение неоднородности химического состава деталей, имеющих внутрикристал-лическую ликвацию. Эта операция используется для крупного стального литья и крупных слитков из легированных сталей.
Бывший в пользовании инструмент (молоток, зубило, пробойник, напильник, плашка и т. д.) с целью его переделки или исправления подвергают нормализации. Отжиг этого вида основан на нагревании стали до определенной температуры, кратковременной выдержке при этой температуре и последующем постепенном охлаждении на воздухе.
Отжиг стали производится в печах, предназначенных для нагревания стали при различных процессах термической обработки.
4.5. Закалка стали
Закалкой называется технологический процесс термической обработки, применяемый для получения высоких механических свойств стальных изделий за счет изменения их структуры. Закалка состоит в нагревании изделия до определенной температуры, выдержке при этой температуре для ее выравнивания по всему сечению изделия и быстром охлаждении. Применяют следующие виды закалки: в одном или двух охладителях, струйчатую, ступенчатую и изотермическую.
Способ нагревания стали оказывает большое влияние на весь дальнейший процесс термической обработки. Перед нагреванием стали для закалки следует прежде всего определить вид и сорт стали. Если сталь не подвергалась отжигу, следует ее отжечь. Сталь необходимо очистить от грязи и следов жира.
Чем меньше в стали содержание углерода, тем выше температура нагревания.
Нагрев изделий под закалку производят одним из трех способов: в печах с газовой атмосферой – мазутных, нефтяных, газовых, электрических; в ваннах с жидкими средами – расплавленными солями или металлами; токами высокой частоты.
Скорость нагрева изделий зависит от способа их укладки, массы загружаемых в печь или ванну изделий, от их габаритных размеров и теплопроводности.
Время нагрева до 800 °C цилиндрических деталей на 1 мм диаметра в электропечах составляет примерно 40–50 с, а в мазутных и нефтяных печах – 35–40 с.
В качестве жидких сред для нагрева до 800 °C применяются свинцовые или соляные ванны. Время нагрева в свинцовой ванне на 1 мм диаметра составляет 6–8 с, а в соляных – 12–15 с.
Выдержка изделия при температуре закалки необходима для выравнивания температуры по всему сечению и обеспечения завершения происходящих при этом структурных превращений. Время выдержки зависит от химического состава стали, ее теплопроводности, величины, формы и массы закаливаемых изделий. На практике время выдержки принимают равным 20–30 % от общего времени нагрева до заданной температуры.
Изделие следует правильно уложить в печи или в ванне, чтобы избежать деформирования.
Нагревание должно быть постепенным (следует избегать случайного подъема температуры) и производиться таким образом, чтобы нагревалась вся масса материала (изделия нужно часто переворачивать). За нагреванием стали необходимо наблюдать, чтобы избежать перегрева и пережога. Для предотвращения окисления стали может быть использована нейтральная атмосфера в камере печи.
Время и температура нагревания стали для закалки зависит от вида и сорта стали, от массы и формы изделия. Например, сталь углеродистая постепенно нагревается от 0 до 350 °C, а после достижения этой температуры ее можно быстро подогревать до температуры закалки.
При нагревании стали происходят структурные изменения, которые, в зависимости от времени выдержки при данной температуре, оказывают большое влияние на механические свойства стали. Применение неправильного способа или метода нагревания стали ведет к окислению или обезуглероживанию поверхности, что вызывает изменение свойств стали. Избежать таких нежелательных явлений можно при использовании для нагревания электрических печей.
Для предохранения изделий при нагревании от окисления и обезуглероживания в рабочем пространстве печи создают защитную нейтральную газовую среду Если невозможно создать защитную газовую среду изделия для нагрева упаковывают в ящики с отработанным карбюризатором, пережженным асбестом, неокисленной чугунной стружкой или наносят на изделие обмазку.
В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, применяют следующие способы закалки: в одной и двух жидкостях или жидких средах – вода, масло; ступенчатую – охлаждение в расплавленной соли и на воздухе; изотермическую – охлаждение в расплавленной соли с температурой около 300 °C до полного превращения аустенита, а затем в воде или на воздухе.
Для получения твердого поверхностного слоя, мягкой и пластичной сердцевины применяют закалку с самоотпуском (для закалки инструмента).
Для уменьшения внутренних термических напряжений и деформации при закалке применяется закалка с подстуживанием.
К охлаждающим жидкостям относятся масла (специальное масло для закалки, машинное или веретенное масло), вода, а также различного рода растворы (мыла, кислоты или поваренной соли в воде и др.). Растительное масло для закалки не используют.
Способ охлаждения и вид охлаждающей жидкости при закалке стали зависит от сорта и марки стали, от требуемой степени закалки, а также от конфигурации и величины закаливаемой детали.
4.6. Термическая обработка быстрорежущей стали
Быстрорежущие стали относятся к группе высоколегированных. Они характеризуются красностойкостью и сохраняют высокую прочность, твердость и износостойкость при нагреве до 600–700 °C. Применяются для изготовления режущего инструмента высокой производительности. Основными легирующими материалами этих сталей являются вольфрам, ванадий и хром.
Термическая обработка быстрорежущих сталей имеет ряд особенностей, что обусловлено их пониженной теплопроводностью, наличием в их структуре значительного количества карбидов, а также низкой пластичностью стали.
Инструмент из быстрорежущей стали до температуры закалки нагревают ступенчато: вначале медленно до температуры 800–850 °C, затем быстрее до окончательной температуры закалки 1200–1300 °C. Ступенчатый нагрев позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности температуры поверхности и сердцевины изделия.
С целью предохранения инструмента от обезуглероживания перед нагревом его погружают в насыщенный раствор буры. Иногда предварительно подогретый до 800–850 °C инструмент перед окончательным нагревом покрывают порошком обезвоженной буры.
В качестве охлаждающей среды при закалке быстрорежущих сталей применяют подогретое минеральное масло или охлаждают инструмент на воздухе.
Структура закаленной быстрорежущей стали состоит из первичного мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.
Отпуск быстрорежущей стали следует производить как можно быстрее сразу после закалки. Как правило, рекомендуется вести многократный отпуск.
Сталь до температуры отпуска нагревается постепенно и равномерно (температура нагревания стали при отпуске находится в границах 380–570 °C в зависимости от марки стали). Выдержка после нагрева производится в течение часа. Охлаждение ведут на воздухе.
Если после закалки применяют обработку быстрорежущей стали холодом при температуре –80 °C, то производят только один отпуск.
После термической обработки структура быстрорежущей стали состоит из отпущенного мартенсита и карбидов.
Температура нагревания быстрорежущей стали для ковки в зависимости от марки составляет 950–1150 °C. В первый период до 850 °C нагревают постепенно, а затем – быстро до требуемой температуры ковки. После ковки сталь постепенно охлаждается в песке или в пепле.
Для снижения твердости стали ее нагревают до температуры 800–850 °C и выравнивают температуру по сечению. Охлаждать следует постепенно до температуры 650 °C. Дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе (табл. 24).
4.7. Поверхностная закалка стали
Поверхностная закалка стали состоит из быстрого нагрева поверхностного слоя стали до температуры, значительно превышающей критическую, и последующего быстрого ее охлаждения. При этом обеспечивается высокая поверхностная твердость при мягкой и пластичной сердцевине детали.
В промышленности применяются следующие способы нагрева для поверхностной закалки: газопламенный (ацетилено-кислородным пламенем); контактный или индукционный электронагрев; в электролите; в соляных и металлических ваннах.
Для индукционного нагрева применяют ток промышленной, средней и высокой частоты.
Таблица 24 Режимы термической обработки быстрорежущей стали
В качестве электролитов при нагреве за счет пропускания тока между деталью-катодом и корпусом ванны – анодом применяются 10 %-ные растворы поваренной соли, поташа и кальцинированной соды.
Основное преимущество поверхностной закалки стали – повышение выносливости детали к воздействию разного рода динамических нагрузок (например, изгибающих, на срез) при сохранении большой износостойкости. Этот метод позволяет получить твердую износостойкую поверхность и пластичную сердцевину.
Применяя поверхностную закалку стали, сокращают время обработки, так как нагрев длится недолго. При небольшом времени обработки не происходит обезуглероживания и окисления стали. Нагревание только наружного слоя исключает возможность появления больших напряжений.
Для газопламенного нагрева стали при поверхностной закалке используют горелку, соединенную с ацетиленовым и кислородным баллонами. Ацетилено-кислородным пламенем нагревают поверхность изделия. С горелкой соединено сопло, через которое подается вода. Пламя горелки за время передвижения с определенной скоростью над поверхностью стали нагревает ее, а через сопло, находящееся за горелкой и передвигающееся вместе с ней, на нагретую поверхность подается вода, быстро охлаждающая изделие.
4.8. Термическая обработка некоторых видов инструментов
Только что изготовленные метчик или плашка не отжигаются: эти инструменты изготавливают из отожженной стали. Так как метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой стали У11А с содержанием углерода около 1,1 %, то температура нагрева инструмента для закалки составляет 760–780 °C (цвет каления – темно-вишневый), отпуск производится при температуре 230–240 °C (цвета налета: светло-соломенный, соломенный, темно-соломенный, желтый, переходящий в темно-желтый). Метчики и плашки охлаждаются в воде.
Твердость после закалки составляет HRC 62.
Сверла, развертки и прошивки изготовляются из инструментальной углеродистой стали У10А или У11А с содержанием углерода 1,0–1,1 %. Температура закалки составляет 760–780 °C (цвет каления – темно-вишневый). Отпуск инструмента ведется при температуре 220–240 °C (цвета налета: светло-соломенный, соломенный, темно-соломенный, переходящий в желтый). Охлаждение инструмента производится в воде.
Напильники, шаберы и режущий инструмент изготовляются из инструментальной высокоуглеродистой стали У12А или У13А с содержанием углерода 1,15–1,3 %. Температура закалки составляет 760–780 °C (цвет каления – от красного до вишневого). Отпускают инструмент при температуре 180–230 °C (цвет налета от белого до желтого). Охлаждение производится в воде.
Инструмент для ковки, слесарные молотки и топоры изготовляются из инструментальной углеродистой стали У7 или У7А с содержанием углерода 0,6–0,7 %. Температура закалки составляет 800–820 °C (цвет каления – от вишневого до светло-вишневого). Охлаждение производится в воде. Отпуск слесарных молотков ведется при температуре 250–260 °C, инструмента для ковки и топоров – при температуре 290 °C.
4.9. Другие виды термической обработки
Химико-термическая обработка – это такая обработка металлов, при которой производится одновременно тепловое и химическое воздействие на обрабатываемое изделие. Для химико-термической обработки детали нагревают в специальной среде (карбюризаторе) до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают.
В процессе нагрева поверхностный слой деталей насыщается активным элементом (углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.), в результате чего изменяются его физико-механические свойства.
Химико-термическая обработка предназначена для изменения химического состава поверхностных слоев стальных деталей машин и других изделий и придания им требуемых физико-механических свойств: высокой твердости, износостойкости, коррозионно– и окали-ностойкости, а также красностойкости.
К химико-термической обработке относятся цементация (науглероживание), цианирование, азотирование, хромирование, силициро-вание, сульфидирование, борирование, алитирование и др.
Цементация стали – это химико-термическая обработка, заключающаяся в насыщении углеродом поверхностного слоя изделия, выполненного, как правило, из мягкой малоуглеродистой стали, в которой содержание углерода не превышает 0,25 %. Для науглероживания изделия выдерживают в течение длительного времени при определенной температуре в среде (карбюризаторе), выделяющей окись углерода.
Цементированные изделия обычно подвергают термической обработке – закалке.
При этом в поверхностном науглероженном слое образуется структура мелкоигольчатого мартенсита, обладающая высокой твердостью и износостойкостью.
Характерной особенностью цементированной стали является то, что после закалки получается тонкий наружный твердый и износостойкий слой, в то время как мягкая и пластичная сердцевина сопротивляется ударам и динамическим нагрузкам.
Науглероженные изделия незначительно деформируются во время закалки (из-за мягкой сердцевины). Обработка сердцевины возможна только после удаления с предмета твердого науглероженного слоя.
Различают три вида цементации: в твердом карбюризаторе (смесь, включающая 75–90 % древесного угля, 5–10 % углекислого бария, 3–12 % кальцинированной соды и 2–3 % мазута или другого состава); жидкостную (погружением в ванну со смесью расплавленных до температуры 850–890 °C солей – поташа, хлористого аммония, поваренной соли); газовую (в углеродосодержащем газе; применяют природный газ, пропан, бутан, нефтяной, коксовый газ и др.).
Глубина науглероженного слоя зависит от среды, способа и времени науглероживания. Например, цементация в жидких соляных ваннах при температуре 850–890 °C дает возможность получить слой толщиной 0,2 мм в течение одного часа, слой 0,8 мм – в течение 4 часов. При применении твердых карбюризаторов, засыпаемых в чугунные короба, глубина науглероженного слоя при температуре 850–890 °C составляет 0,25 мм за 3 ч и 1,4 мм за 8,5 ч.
Длительность газовой цементации также определяется необходимой глубиной науглероженного слоя: за 2–3 ч получают слой 0,3–0,5 мм, за 9–10 ч – слой 1,2–1,4 мм.
Цементация стали в чугунных коробах или коробах из листового металла применяется для деталей с небольшими габаритными размерами. На дно короба, посыпанное слоем твердого карбюризатора толщиной 15–20 мм, укладываются изделия, которые покрываются следующим слоем карбюризатора. И так далее – до заполнения короба. Верхний слой карбюризатора должен быть не менее 50 мм. Между изделиями должно сохраняться расстояние 5–10 мм. Заполненный ящик закрывают крышкой из листового металла или асбеста, герметизируют огнеупорной глиной и помещают в печь для нагревания.
Температура нагревания – 850–950 °C. Для уменьшения внутренних напряжений изделия после цементации и закалки необходимо подвергнуть отпуску при температуре не выше 200 °C.
Частичная цементация – это науглероживание определенной части изделия, которая должна быть более твердой и износостойкой. Остальные части изделия, не подвергающиеся цементации, покрывают защитным слоем (глиной, асбестом, гальванической медной пленкой).
Цианированием называется быстрый процесс одновременного насыщения поверхности стальных деталей углеродом и азотом для достижения высокой твердости и износостойкости.
Различают два вида цианирования: газовое (нитроцементация), которое производится на том же оборудовании, что и цементация в газовой среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, при температуре 850–900 °C, и жидкостное – в расплавленных смесях цианистых солей при температуре 820–850 °C.
После цианирования изделия подвергают термической обработке – закалке и отпуску.
4.10. Операции после закалки
После закалки изделия очищаются с целью удаления грязи, окислов и пятен, а также с целью подготовки изделия к отпуску.
После отпуска изделия обязательно обрабатываются щетками, в струе мокрого песка или в горячих щелочных растворах.
Некоторые изделия, которые после закалки деформируются, можно править. Править можно только плоские, а также круглые, длинные и тонкие изделия. Во избежание брака правку следует вести очень осторожно, без ударов. Используется ручная и механическая правка на винтовых и гидравлических прессах.
В изломе закаленного образца можно обнаружить следующие дефекты: окисление (вследствие слишком быстрого охлаждения перегретого или неравномерно нагретого изделия), потемнение (сталь имела дефекты до закалки), крупнозернистость (сталь перегрета), микротрещины, радиально направленные к сердцевине (большие внутренние напряжения в материале).
Есть несколько причин, которые могут вызвать недостаточную закалку изделия, например, следующие: обезуглерожен верхний слой стали, низкое содержание углерода, обезуглероживание поверхности изделия во время нагревания, низкая температура нагрева, неправильно подобранная охлаждающая среда или короткое время охлаждения, небрежная подготовка изделия к закалке (изделие, покрытое жиром и грязью, может закалиться только в некоторых местах). Иногда наблюдается неравномерная закалка поверхности изделий, имеющих сложную форму и острые кромки.
Недостаточно закаленные изделия следует вновь подвергнуть термической обработке. Перед этим изделие нужно отжечь. Обезуглеро-женный вследствие отжига слой, насколько это возможно, удаляется, например, ручной запиловкой, строганием, точением. Затем изделие науглероживают, азотируют, цианируют или сразу же закаливают.
Самый распространенный, хотя и недостаточно точный способ контроля закалки изделия – это проверка напильником. Опытные слесари проверяют ударом молоточка по кромке закаленного изделия (по сколу или углублению). Можно также проверять степень закалки с помощью эталонных плиток по глубине риски, выполненной твердым инструментом, или с помощью специальных приборов.
Ослабление внутренних напряжений, возникших в изделии во время закалки, можно обеспечить путем нагревания стали в допустимых для данной марки пределах и равномерного и не слишком быстрого охлаждения, а также путем правильно проведенного отжига, закалки и правильного отпуска изделия после закалки.
4.11. Отпуск стали
Отпуск – это термическая операция, которой подвергают предварительно закаленные стальные изделия. Она заключается в нагревании изделий до определенной температуры, выдерживании при этой температуре и последующем постепенном охлаждении на воздухе. Отпуск на цвет побежалости производится в интервале температур 230–330 °C (табл. 25) с последующим замачиванием в воде.
Таблица 25 Цвета побежалости при отпуске стали
Цель отпуска – уменьшение или полное снятие внутренних напряжений в изделии, появившихся во время закалки, улучшение пластических свойств, уменьшение хрупкости и некоторое снижение твердости (степень твердости зависит от температуры отпуска), увеличение вязкости.Применяют три способа отпуска закаленной стали: низкий – при температуре 150–250 °C, средний – при температуре 350–450 °C и высокий – при температуре 450–650 °C.
Температуру отпуска для определенных марок стали (а также разных изделий) и вид охлаждающей среды определяют по специальным таблицам.
Нагрев при отпуске производится в масляных, селитровых или щелочных ваннах, а также в газовых, мазутных или электрических печах с воздушной атмосферой. В ряде случаев применяется нагрев в горне или на разогретой металлической плите. Общее время пребывания изделия в печи при отпуске составляет примерно 2–3 мин на 1 мм наименьшего сечения детали, но не менее 30–40 мин.
В результате низкотемпературного отпуска при температуре 150–250 °C уменьшаются внутренние напряжения и хрупкость стали, незначительно снижается твердость, несколько увеличивается вязкость. Низкому отпуску подвергаются изделия, которые должны иметь высокую твердость (режущий и мерительный инструмент). Средний отпуск при температуре 350–450 °C несколько снижает твердость и значительно увеличивает вязкость, сопротивляемость стали ударам, прочность и упругость. Применяется для пил, рессор-пружин, молотков, матриц, пуансонов, автомобильных деталей. Высокий отпуск при температурах 450–650 °C полностью устраняет внутренние напряжения и обеспечивает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали при достаточной ее твердости. Применяется для ответственных деталей.
Двойной отпуск применяется для инструмента, поверхность которого должна иметь различную твердость (пуансон, вырубной штамп, прошивень, зубило). Например, зубило: первый отпуск при температуре ниже 300 °C выполняют для режущей части, второй отпуск при температуре 300–500 °C – для головки зубила.
Термическое улучшение стали состоит из процессов закаливания и высокого отпуска. Тем самым достигается улучшение механических свойств стали, обеспечивается возможность обработки резанием.
4.12. Термическая обработка чугуна
В зависимости от структуры различают следующие классы чугу-нов: ферритный, феррито-перлитный, перлитный и перлитно-цемен-титный. В промышленности применяются чугуны ферритно-перлит-ного и перлитного классов.
Различают также следующие виды чугунов: серый, белый, модифицированный, высокопрочный, ковкий и специальные легированные чугуны.
Серые чугуны обозначаются буквами СЧ, а высокопрочные – ВЧ. Первые две цифры после букв СЧ указывают предел прочности на растяжение, а вторые две цифры – предел прочности на изгиб. После ВЧ вторые две цифры обозначают относительные удлинения в процентах.
Для повышения механических свойств чугуна применяются следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Термической обработке подвергаются практически все виды чугу-нов, особенно серый, ковкий и высокопрочный.
Низкотемпературный отжиг выполняют при температуре 500–550 °C с выдержкой от 2 до 8 ч. Охлаждение производится со скоростью 20–30 °C в час до температуры 150–200 °C, затем на воздухе. Применяется для снятия внутренних напряжений, заменяет естественное старение.
Высокотемпературный отжиг проводят при температуре 950–1000 °C с выдержкой в течение до 4-х часов и охлаждением в печи. Применяется для повышения обрабатываемости чугуна, понижения его твердости, а при длительной выдержке – для получения ковкого чугуна.
Нормализация (нагрев до температуры 820–900 °C с последующим охлаждением на воздухе) применяется для повышения износостойкости и прочности чугуна.
Закалка чугуна может быть обычной, изотермической с нагревом в печах или токами высокой частоты. Нагревают до 830–900 °C. При изотермической закалке охлаждение производится в ванне с расплавленной солью, нагретой до 200–400 °C. При закалке в масле изделия нагревают до 830–870 °C, при закалке в воде – до 800–820 °C.
Закалка применяется для повышения твердости, износостойкости, предела прочности и упругости.
Закаленный чугун подвергается низкотемпературному (180–250 °C) или высокотемпературному (400–600 °C) отпуску для снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и прочности.
Для литья деталей машин используется серый чугун с содержанием углерода от 3,1 до 3,6 %, а также ковкий, высокопрочный модифицированный; для особо ответственных деталей – специальные легированные (жаропрочные, коррозионностойкие и др.) чугуны.
Легированным называют чугун, содержащий специальные добавки, такие как никель, молибден, кремний, хром и ванадий. Легированные чугуны с целью закаливания нагреваются до температуры 850–880 °C, а затем охлаждаются в масле. Температура отпуска 200–250 °C.
Модифицированный чугун – это чугун, в который в жидком состоянии перед разливкой введены модификаторы: ферросилиций, силикокальций и алюминий, церий, магний. Модификаторы способствуют получению высоких прочностных и других механических свойств чугуна.
Ковкий чугун получают из белого или серого чугуна путем соответствующего отжига. После такой термической обработки он приобретает вязкость, хорошую обрабатываемость и механическую прочность.
К основному оборудованию для термической обработки относятся печи, нагревательные установки и охлаждающие устройства По источнику теплоты печи подразделяют на электрические и топливные (газовые и редко - мазутные).
Для того чтобы избежать окисления и обезуглероживания стальных деталей при нагреве, рабочее пространство современных термических печей заполняют специальными защитными газовыми средами или нагревательную камеру вакуумируют. Для повышения производительности при термической обработке мелких деталей машин и приборов применяют скоростной нагрев, т. е. загружают их в окончательно нагретую печь. Возникающие при нагреве временные тепловые напряжения не вызывают образования трещин и короблений. Однако скоростной нагрев опасен для крупных деталей (прокатных валков, валов и корпусных деталей), поэтому нагрев таких деталей производят медленно (вместе с печью) или ступенчато. Иногда быстрый нагрев производят в печах-ваннах с расплавленной солью (сверла, метчики и другие мелкие инструменты). На машиностроительных заводах для термической обработки применяют механизированные печи (рис. 5.1) и автоматизированные агрегаты.
Механизированная электропечь предназначена для закалки штампов или мелких деталей, укладываемых на поддон. Нагревательную и закалочную камеру можно заполнять защитной атмосферой, предохраняющей закаливаемые детали от окисления и обезуглероживания. С помощью цепного механизма 6 поддон с деталями по направляющим роликам перемещают в нагревательную камеру
I. После нагревания и выдержки тем же цепным механизмом поддон перемещают в закалочную камеру 2 и вместе со столиком 3 погружают в закалочную жидкость (масло или воду). После охлаждения столик поднимается пневмомеханизмом, и поддон выгружается из печи. Детали нагреваются в результате излучения электронагревателей 5 и конвективного теплообмена. Вентиляторы 4, установленные в нагревательной камере и в закалочном баке, предназначены для интенсификации теплообмена и равномерного нагрева и охлаждения деталей.
В механизированных и автоматизированных агрегатах проводят весь цикл
Рис. 5.1. Механизированная электропечь: 1 - нагревательная камера; 2 - закалочная камера; 3 - подъемный столик; 4 - вентилятор; 5 - нагреватели; 6 - цепной механизм для передвижения поддона с деталями
термической обработки деталей, например, закалку и отпуск. Такие агрегаты состоят из механизированных нагревательных печей и закалочных баков, моечных машин и транспортных устройств конвейерного типа.
Поверхностный нагрев деталей производят тогда, когда в результате поверхностной закажи требуется получить высокую твердость наружных слоев при сохранении мягкой сердцевины. Чаще всего закаливают наружный слой трущихся деталей машин.
Наиболее совершенным способом поверхностной закалки является закалка в специальных установках с нагревом токами высокой частоты-ТВЧ. Этот способ нагрева очень производителен, может быть полностью автоматизирован и позволяет получать при крупносерийном производстве стабильное высокое качество закаливаемых изделий при минимальном их короблении и окислении поверхности.
Известно, что с увеличением частоты тока возрастает скин-эффект; плотность тока в наружных слоях проводника оказывается во много раз большей, чем в сердцевине. В результате почти вся тепловая энергия выделяется в поверхностном слое и вызывает его разогрев.
Нагрев деталей ТВЧ осуществляется индуктором. Если деталь имеет небольшую длину (высоту), то вся ее поверхность может быть одновременно нагрета до температуры закалки. Если же деталь длинная (рис. 5.2), нагрев происходит последовательно путем перемещения изделия относительно индуктора с рассчитанной скоростью.
Охлаждение при закалке с нагревом ТВЧ обычно осуществляется водой, подающейся через спрейер трубку с отверстиями для разбрызгивания воды, изогнутую в кольцо и расположенную относительно детали аналогично индуктору. Нагретый в индукторе участок детали или все изделие, перемещаясь, попадает в спрейер, где и охлаждается.
Преимущество поверхностной закалки деталей, так же как и большинства способов упрочнения поверхности (химико-термиче-ской обработки, поверхностного наклепа обкатки), состоит также в том, что в поверхностных слоях деталей возникают значительные сжимающие напряжения.
Рис. 5.2. Расположение индуктора, закаливаемой цилиндрической детали и спрейера при закалке с нагревом ТВЧ: 1 - деталь; 2 - индуктор; 3 - спрейер
В последнее время для термической обработки некоторых деталей применяют источники высококонцентрированной энергии (электронные и лазерные лучи).
Использование импульсных электронных пучков и лазерных лучей для локального нагрева поверхности деталей позволяет вести поверхностную закалку рабочих кромок инструментов и сильно изнашивающихся областей жорпусных деталей. Иногда тонкий поверхностный слой доводят до оплавления и в результате быстрого охлаждения получают мелкозернистую или аморфную структуру.
При закалке с использованием источников высококонцентрированной энергии не требуются охлаждающие среды, так как локально нагретые поверхностные слои очень быстро остывают в результате отвода теплоты в холодную массу детали. В качестве источников энергии используют ускорители электронов и непрерывные газовые и импульсные лазеры.
2.3 Выбор приспособлений для выполнения термической обработки
Наличие соответствующей оснастки для основных и промежуточных операций предварительной т.о. способствует повышению технологического процесса, повышает качество обрабатываемого инструмента, улучшает условия труда рабочих.
В качестве приспособлений используем: клещи с плоскими губками, верхонки.
2.4 Выбор вспомогательных операций
1. Предварительная промывка инструмента от солей и масла производится в моечной машине. В этой машине инструмент подвергается химическому и механическому воздействию горячего щелочного раствора. Состав приготовлен из жидкого стекла каустической соды. Общая щелочность раствора должна составлять 0,38 - 0,41 NaOH.
2. Кипячение в подсоленной воде (в кипящем 2% растворе соляной кислоты) осуществляется перед травлением для сокращением распада кислоты и времени травлением. Кипячение производится в течение 5-10 мин и имеет целью растворить соли, оставшиеся на поверхности инструмента после нагрева в солях, а также разрыхлить окалину.
3. Травление предназначается для окончательного снятия окалины, разрушения и удаление оставшейся после предварительного кипячения хлористых солей. Травление производится в растворе 2ч технической соляной кислоты Л ч воды, 0,5% присадки, и КС. Продолжительность травления 3-5 мин при 18 - 20 С (в зависимости от слоя и толщины окалины),
4. Повторная промывка применяется для полного удаления кислоты и грязи образовавшихся на заготовки при травлении осуществляется в проточной воде. Промывка сопровождается многократным встряхиванием.
5. Кипячение в 2% содовом растворе производится для полной нейтрализации кислоты в течение 10 мин
6. Пассивирование осуществляется для того, чтобы предохранить изделие от коррозии. Оно происходит в горячем водяном растворе, содержащим 25% NaN0 2 Выдержка в ванне 3 -5 мин., после такой многократной обработки изделие получается чистым и защищенным от последующей коррозии. Данные операции после отжига, в полном объеме могут не использоваться.
2.5 Выбор и обоснование требуемых операций для контроля качества термической обработки
Результатом предварительной т.о, оценивается по твердости и микроструктуре. Микроструктуру при отжиге контролируют на зернистый перлит.
Параметры контролируемые у быстрорежущих сталей после отжига: химический состав, размер заготовки в состояние поставки, микроструктура по ГОСТ 10243-75, твердость в отожженном состоянии по ГОСТ 9012-59, не ниже НВ 255, глубина обезуглероженного слоя 0,5-1 % от d.
2.6 Анализ возможных дефектов термической обработки и способы их устранения
Окисление и обезуглероживание - дефекты, которые являются результатом химической реакции, проходящие при нагреве стали между поверхностным слоем металла и кислородом. Эти процессы оказывают отрицательное влияние на конструктивную прочность изделий, приводящие к потерям металла на удар, обуславливают необходимость увеличение припусков для последующей механической обработки.
Окисление определяют непосредственным осмотром заготовки, а обезуглероживание контролем на прочность при металлографическом исследовании.
При глубине проникновения, больше чем припуск на шлифования, брак неисправный. Для предупреждения следует вести нагрев в защитной атмосфере, а при отсутствии таковой - в ящиках с чугунной стружкой, древесным углем с 5% кальцинированной соды, пережженном асбестом, белым песком и т.п. В соляные ванные для сохранения от обезуглероживания добавляют молотый фурросилицин в количестве 0,5 - 1 % от веса соли или буру, борную кислоту, желтую кровяную соль.
Контроль твердости обычно производится с помощью ЦБМ для отожженных изделий.
Нафталинистый излом - характеризуется своеобразным видом излома, что является следствием разрушения по кристаллографическими плоскостям; сопровождается значительным снижением прочностных свойств и особенно ударной вязкости, вызывается окончанием горячей классической обработки при излишне высокой температуре (выше 1180 С), если степень деформации при последующем отжиге была небольшой и если последующий отжиг выполнен недостаточно точно и не обеспечивает необходимого значения твердости (НВ 255 - 269), выполняем повторную закалку без промежуточного отжига. Устранение нафталинного излома и восстановление механических свойств можно многократным отпуском.
3. Проектирование технологического процесса упрочняющей термической обработки
3.1 Определение структуры технологического процесса термической обработки
Упрочняющая т.о. быстрорежущей сталь специфична. Она заключается высокотемпературном нагреве под закалку и последующем трехкратным температурный отпуск, по 1 часу каждый. Температура закалки - 1280 - 1290 С, а температура 580 -600 С.
3.2 Проектирование отдельных операций термической обработки
Закалка - процесс термической обработки, обуславливающий получение неравновесных структур превращения или распада аустенита при резком его переохлаждении со скоростью выше критической. Конечный результат процесса закалки зависит от скорости охлаждения и температуры конца мартенситного превращения. Чем выше температура нагрева, тем выше легированность твердого раствора за счет растворение вторичных карбидов, а следовательно, выше теплостойкость и вторичная твердость. НО с другой стороны, интенсивность растворения большого карбидов при нагреве выше определенных температур вызывает интенсивность роста зерна аустенита, а значит, снижает прочность и ударную вязкость.
При назначение температуры закалки учитывается условия эксплуатации инструмента. Для инструмента работающего о высокими ударными нагрузками температуру закалки иногда понижают с целью повышения прочности и закаливают на более мелкое зерно 11 балла. Для инструмента, работающего в особо тяжелом температурном режиме температуру закалки повышают относительно оптимальной, проводя обработку на максимальную теплостойкость.
Для стали Р6М5 режим закалки заключается в высокотемпературной ступенчатой закалке.
Первый подогрев проводят при температуре 400 - 500. С, с предварительным погружением на 15 - 20 сек. в пересыщенный раствор буры, второй подогрев будем проводить при температуре 830-860 С.
Ступенчатый подогрев под закалку будем производить в соленых ваннах, которые широко используются, т,к. имеют следующий ряд преимуществ: высокой интенсивностью и равномерностью нагрева, возможность осуществления местного нагрева, предотвращение окисления и обезуглероживания. защита инструмента, от воздействия кислорода.
При нагреве будем использовать наиболее распространенную соль БМЗБ, в состав которой входит; 9б,9% ВаС12+ 3% МgF2, 0,1% В.
Условия охлаждения при закалки должны обеспечить сохранение высокой концентрации углерода, а для легированных и быстрорежущих сталей сведение до минимума закалочной деформации и отсутствие трещин. Сталь Р18Ф2 будем охлаждать в масле.
Отпуск - процесс т.о., обусловливающий превращение неустойчивых структур закаленного состояния в более устойчивые, Отпуск осуществляется путем нагрева до температуры ниже интервала превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения.
Отпуск быстрорежущей стали должен обеспечивать более полное превращения остаточного аустенита, что достигается применением многократного отпуска с охлаждением 20 - 40С.
Температура отпуска, продолжительность и число отпусков определяются химическим составом и выбранным условием проведения этой операции. Отпуск обеспечивает одновременно высокую твердость и теплостойкость. Основная цель отпуска заключается в дисперсном твердение.
В процессе отпуска, происходит выделение из твердого раствора дисперсных карбидов. И превращение остаточного аустенита в мартенсит. Остаточный аустенит объединяется при нагреве с легирующими элементами и при охлаждении с температур отпуска превращается в мартенсит.
Для стали Р6М5 будем производить трехкратный отпуск с температурой 570 С по 1 часу, твердость после отпуска составляет 63 HRC. А образование дисперсных карбидов обеспечивается высокую теплостойкость (600 - 650 С)
Структура сталей после отпуск состоит из отпущенного мартенсит, карбидов (15- 20 %) и остаточного аустенита (2 -3%), Наибольшее количество остаточного аустенита превращается при первом отпуске 10-12%, при втором - 6 - 8 %, а после третьего - 3 - 5 %.
Отпуск будем производить в стандартной элетродно-солянной ванне с прямоугольной формой рабочего пространства типа С -100, с температурой 850 С.
В качестве жидкой среды применяются сравнительно простые по составу среды, обладающие высокой жидкотекучестъю, не разъедающие поверхность закаленных изделий, такие как расплавленная соль 30% ВаСl2 + 20% NaCl + 50% CaCl2.
После закалки и отпуска сталь Р18Ф2 должна обладать твердостью 65 - 66 HRC теплостойкость Т = 630 С, вязкость хорошая, шлифуемость низкая.
Оснастка для т.о. имеет решающее значение при осуществлении технологических процессов в термических цехах. Отсутствие или неправильное использование оснастки может вызвать значительный брак. В данном процессе т.о. будем использовать; корзину для закалки в соляных ваннах, клещи о прямыми плоскими губками, ковш для слива из соляных ванн, ложку для очистки соляных ванн.
3.3 Выбор вспомогательных операций
К вспомогательным операциям относят его очистку после т.о. правку и антикоррозийную обработку,
Инструмент подвергается очистки с целью удаления мыла, солей, окалины.
Операция химической очистки:
1. Предварительная промывка выварочным бочке в горячем (90 С) щелочном растворе 0,38 - 0,41 % NaOH
2. Кипячение в подкисленной воде (в кипящем 2% растворе соляной кислоты).
3. Травление
4. Повторная промывка в проточной воде
5. Кипячение в содовом растворе
6. Пассивирование.
После этой многоуровневой очистки инструмент получается чистым и защищенным от последующей коррозии.
3.4 Выбор и обоснование требуемых операций контроля качества термической обработки
При закалки быстрорежущей стали контролируют температуру нагрева., время выдержки, обезуглероживающую активность ванн окончательного нагрева, температуру ванн охлаждения, Параметрами контроля является;
Твердость ГОСТ 9013-59, HRC 63 - 65
Величина аустенитного зерна ГОСТ 5636-82, 10-11 балл После закалки и отпуска контролируется:
Твердость, HRC 63 - 65
Теплостойкость
Карбидная неоднородность (2-3 балл) Допускаемое количество остаточного аустенита 2 - 3%
3.5 Дефекты термической обработки и способы их устранения
1. Потеря формы инструмента при закалке - дефект возникающий у сталей, температура закалки которых близка к температурам начала плавления. В результате чрезмерного перегрева или расположения инструмента в ванне близко к электродам, возникают оплавление инструмента..Поэтому при помещении инструмента в ванну следует выключить ток. Этот недостаток можно устранить так же, установкой защитной стенки из кирпичей, отделяющих электроды от инструмента.
2. Недостаточная твердость после отпуска может быть следующими причинами;
а) пониженной температуры закалки (выявляется микроанализом) вследствие чего образуется недостаточно легированный мартенсит
б) низким нагревам при отпуске (эта причина может быть выявлена магнитным анализом).
Дефектом возникающим в результате этих причин, устраняется соответственно отжигом и последующими правильными закалкой и отпуском.
в) обезуглероживание
г) порча теплостойкости
3. Порча теплостойкости возникает в результате очень длительного или многократного нагрева выше области Aс1 вследствие обогащением карбидов МебС вольфрамом, что уменьшает их растворимость при закалки, вследствие чего получается недостаточно легированный мартенсит, Выявляется по снижению вторичной твердости или теплостойкости. Данный дефект предотвращается соблюдением определенной области нагрева температур и длительности т.о.
4. Деформация и коробление определяется проверкой размеров. Возникают из-за внутренних напряжений, образовавшихся при закалки; неравномерный нагрев под закалку и неправильное погружение в охлаждающую среду в мартенситном интервале; правильным погружением в закалочную среду, равномерным нагревом и проверкой на кривизну перед закалкой.
Введение в сталь легирующих элементов само по себе уже улучшает ее механические свойства. Для получения после цементации и последующей термической обработки высокой твердости поверхности и пластичной сердцевины детали изготовляют из низкоулеглеродистых сталей 15 и 20. получающаяся после цементации и последующей термической обработки твердая и прочная сердцевина у сталей с повышенным содержанием...
Закалка в масле и низкий отпуск. Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Выбор последовательности всех операций термической обработки. Назначаем последовательности всех операций изготовления вала первичной коробки передач (от проката до готового изделия). Последовательность операций изображается графически с указанием номера...
Термическая обработка металлов - переработка металлического материала при помощи теплового воздействия. Термический способ работы с металлами используют для того, чтобы добиться приобретения материалом определенных технологических свойств и технических характеристик.
Виды и способы термической обработки металлов
Виды термической обработки металлов делятся на три категории: термомеханическая обработка, химически термическая, термический способ работы с металлическими сплавами. Все разновидности термической обработки отличаются друг от друга индивидуальными особенностями осуществления рабочего процесса. Каждая из категорий обработки имеет свой, определенный технологическими нормами, температурный режим воздействия на используемое сырье, выдержкой при обретении установленной степени накаливания и временным периодом охлаждения металлических заготовок.
И металлических сплавов в своем принципе подразумевает структурные изменения в составе обрабатываемого сырья методом сильного накаливания, последующего отстаивания и охлаждения сырьевой массы. Химико термическую обработку металлов отличает от простого термического воздействия на структуру материала добавление в поверхности металлических сплавов компонентов, которые оказывают положительное влияние на такие технические свойства материала, как его твердость, устойчивость к изнашиванию, сопротивление коррозийному уничтожению. Химический процесс термообработки требует к себе более высокого температурного режима и значительно большего периода выдержки материала.
Химико-термический способ работы с металлом, в свою очередь разделяют на цементацию (подразумевает увеличение углеродного состава стали), азотирование (металл перенасыщают азотными частицами), цианирование (параллельное увеличение углеродного и азотного состава в сплавах), легирование поверхностей. Легирование металлов, также делится на силицированное воздействие, алитированное изменение и покрытие хромом.
Термомеханический способ работы с металлической массой - один из самых молодых методов обработки стали. Такая обработка дает возможность увеличить уровень механических качеств. Процесс состоит операций, которые сочетают пластический способ деформирования материала с термическим воздействием на него.
Необходимое оборудование для термической обработки металлов
Оборудование для термической обработки металлов состоит из накаливальных приспособлений и контрольных устройств, что позволяют регулировать температурный режим в процессе осуществления рабочих операций с металлами. Также, используются измерительные приборы для фиксирования результата термического воздействия на сплав. Контрольные приспособления в комплексе термобрабатывающих устройств называют термоэлектрическими пирометрами. Такие измерительные механизмы состоят термических пар и специального гальванометра, на котором установлена градусная шкала Цельсия. Конечный результат воздействия на металл проверяется напильниковой пробой, и испытывают вязкие свойства ударным способом.
Печи для термической обработки металлов, на металлообрабатывающих предприятиях, используют пламенного типа и с электрическим принципом смены температурного режима. Для печей пламенного типа применяется в качестве топливного ресурса жидкие, твердые, газообразные горючие средства. Электрические печные установки для работы со стальными сплавами делят на два вида: печи сопротивления и приспособления, работающие на индукционном способе нагревания. образуется под воздействием высокочастотного тока.
Печи для термической обработки металлов могут работать в беспрерывном режиме и с прерывающимся функциональным циклом. Топливная масса заполняет устройство через специальный кран, а нагретая воздушная масса запускается через воздуховодную камеру. Металлическое сырье разогревается в рабочей зоне приспособления. Образовавшиеся при этом накаленные газовые компоненты убираются при помощи рекуператора, который выполняет функцию постоянного подогрева воздушной массы. В случае периодической эксплуатации камерного приспособления для нагревания стали, в рабочем секторе устройство температурный режим поддерживается на едином уровне.
К термическому способу обработки, чаще всего, прибегают при работе со сталью. Но также, для улучшения технических характеристик и технологических свойств, в отдельных случаях, такой способ могут использовать в работе с чугунными изделиями и конструкциями, выполненными из цветных металлов. Для охлаждения уже прошедших обработку изделий используют специальные емкости, которые наполняют жидкостной массой (расплавленные свинцовые компоненты, масляные средства, водные наполнители).
Короткий путь http://bibt.ru <<Предыдущая страница Оглавление книги Следующая страница>>
Оборудование для термической обработки.
Оборудование термических цехов состоит из нагревательных печей, закалочных устройств (баки, прессы, приспособления), установок для очистки обработанных деталей (пескоструйные установки), правильных устройств, приборов для контроля температуры в печах и ваннах, а также контрольных приборов для проверки качества обработанных деталей.
Термические печи по конструкции подразделяют на печи периодического действия и непрерывного действия: по назначению печи для отжига, нормализации, закалки, отпуска, азотирования, цементации, цианирования; по виду применяемого топлива —на печи, работающие на жидком и газообразном топливе и электрические; по характеру среды в рабочем пространстве: на печи с воздушной средой и продуктами горения, с защитной газовой средой, печи-ванны (соляные, свинцовые, масляные).
Рис. 38. :
1 - муфель реторты; 2 - основание реторты; 3 — приспособление (корзина) для загрузки деталей; 4 — подставка под корзину; 5 — трубка для ввода карбюризатора; 6 — трубка для ввода газа; 7 - вентилятор; 8 — пружина сальника; 9 — нажимная гайка; 10 — шариковые подшипники вала вентилятора; 11 — электродвигатель вентилятора; 12 — электродвигатель для подъема крышки; 13 - болт для крепления крышки, 14 - крышка реторты; 15 - прокладка крышки; 16 - болт-17 - электросопротивление; 19 - кладка печи; 19 -термопара
При единичном и мелкосерийном производствах применяют печи периодического действия — камерные печи с неподвижным подом или с выдвижным подом. Для закалки, цементации, азотирования применяются печи шахтного типа (рис. 38). Недостатком таких печей является трудность обеспечения равномерной температуры по всей высоте печи.
При крупносерийном и массовом производствах широко применяются печи непрерывного действия (печи с вибрирующим подом, конвейерные, а также механизированные печи-ванны).
Печи непрерывного действия часто представляют собой комплексные агрегаты, осуществляющие несколько последовательных термических процессов. На рис. 39 показан агрегат для закалки, промывки и отпуска мелких деталей. Детали 1 автоматически подаются в муфель 3 печи 2. После нагрева они сбрасываются в закалочный бак 4, далее винтовым транспортером 5 выдаются наружу, где автоматическим устройством 10 нагружаются в ковши элеватора 6 отпускной масляной ванны 7. После отпуска детали поступают в моечную машину 8, а из последней — на контрольно-сортировочный автомат 9.
Загрузка...
