Кафедра технологии машиностроения
Контрольная работа
по дисциплине «Технология машиностроения»
на тему: Технология и оборудования термической обработки в машиностроение
Новосибирск
Введение………………………………………………………………………...3
1. Технология термической обработки …….………………………………..4
1.1 .Отжиг стали …………………………………………………………………4
1.2 .Нормализация стали.…...………………………………………………….7
1.3 .Закалка стали …………………………………..……………………………7
1.4 .Обработка стали холодом …………………………..……………………...9
1.5 .Отпуск закаленной стали ………………………………………………… 9
2. Термическая обработка чугунов ………………………………………...10
2.1 .Отжиг чугуна ……………..……………………………………………..…10
2.2 .Нормализация чугуна.................................................................................12
2.3 .Закалка чугуна..………………………………………………………..… 13
2.4 .Отпуск……………………………………………………………………...14
3. Технология термической обработки цветных металлов…………………14
3.1 .Алюминий и его сплавы……………………………………………………14
3.2 .Титан и его сплавы…………………………………………………………17
3.3 .Магний и его сплавы………………………………………………………. 18
3.4 .Медь и его сплавы…………………………………………………………..19
4. Оборудования для термической обработки………………………………..19
Заключение……………………………………………………………………...24
Список литературы……………………………………………………………...25
Введение
В развитии машиностроительной промышленности значительная роль принадлежит термистам, так как термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.
Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является интенсификация процессов нагрева, установка агрегатов для термической обработки в механических цехах, создание автоматических линий с включением в них процессов термической обработки, а также и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойств металлических материалов и эксплуатационных свойств деталей, их надежности и долговечности. Только изучив теорию и практику термической обработки металлов, термист может успешно работать на современных машиностроительных заводах, успешно внедрять в технологию термической обработки новейшие достижения науки и техники, бороться за механизацию и автоматизацию технологических процессов.
Целью работы является рассмотрение оборудования и технологии термической обработки.
1. Технология термической обработки стали
1.1. Отжиг стали
Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.
В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг.
Различают несколько видов отжига различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный, изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг .
Температурные интервалы основных видов отжига для углеродистых сталей представлены на рис.1.
Рис. 1. Температурные интервалы нагрева различных видов отжига:
1 – полный и изотермический; 2 – неполный; 3 – отжиг на зернистый перлит; 4 – рекристаллизационный.
Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30°-50°С выше А3, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 °С/час, легированных - 30-40 °С/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C.
Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30°-50°С выше А1 (750°-780°С). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита.
Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше (рис.2) .
Рис. 2. Режим охлаждения при изотермическом (1) и полном отжиге (2).
После нагрева до температуры на 30°-50°С выше А1, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А1 (650°-700°С) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.
В отличие от других видов отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т.к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.
Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно применять только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.
Отжиг на зернистый перлит проводят с целью улучшить обрабатываемость резанием за счет снижения твердости при переводе пластинчатого перлита в зернистый. Такой отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей (при отсутствии сетки цементита) .
Отжиг проводят по одному из следующих режимов:
1. Нагрев на 20°-30°С выше А1, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение
2. Нагрев до тех же температур с небольшой выдержкой, охлаждение до 600°С, снова нагрев до 740°-750°С и снова охлаждение до 600°С. Такие циклы нагрева и подтуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали около А1. Поэтому такой отжиг называют еще маятником отжигом. Графически режим маятникового отжига представлен на рис.3 .
Отжиг рекристаллизационный применяют для снижения прочности, твердости, повышения пластичности и устранения вытянутости зерен после холодной пластической деформации (например, промежуточные отжиги при волочении проволоки). Такому отжигу подвергают малоуглеродистые стали, так как высокоуглеродистые стали в холодном состоянии деформируются плохо и их такой обработке практически не подвергают.
Нагрев при этом отжиге проводят ниже температуры А1 до 600°-700°С с последующим охлаждением в печи или на воздухе. При этом временное сопротивление разрыву (высокое после деформации) снижается, а пластичность растет.
1.2. Нормализация стали
Нормализация заключается в нагреве стали на 30°-50°С выше критических температур А3 и Асм (рис.4) с последующим охлаждением на воздухе .
Рис. 4. Фрагмент диаграммы Fe-C
Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).
Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке .
1.3. Закалка стали
Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30°-40°С выше А3, заэвтектоидных на 30°-40°С выше А1), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.
Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.
Скорость охлаждения при закалке обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные среды).
Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения. Закалка в одном охладителе (воде или масле). Наиболее простой и распространенный способ. Однако некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше Vвкз и мартенсит не образуется).
Закалка в двух охладителях (через воду в масло)
При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. В области же мартенситного превращения (ниже 300°С) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде.
Ступенчатая закалка заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (350°-400°С), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе. Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше. Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10 мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.
Изотермическая закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин .
Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.5 .
Рис.5. Различные способы закалки: 1 – в одном охладителе, 2 – в двух охладителях, 3 – ступенчатая, 4 - изотермическая
1.4. Обработка стали холодом
Обработку стали холодом применяют для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленных высокоуглеродистых сталях. При охлаждении до -70..-190°С остаточный аустенит превращается в мартенсит.
Обработку холодом проводят непосредственно после закалки путем погружения изделий в смесь авиационного бензина с жидким азотом на 1-1,5 часа.
Обработка холодом обычно применяется:
1. Для инструмента из быстрорежущих сталей и деталей
шарикоподшипников с целью повышения твердости;
2. Для улучшения свойств постоянных магнитов;
3. Для стабилизации размеров точного измерительного инструмента (например, калибров) .
1.5. Отпуск закаленной стали
Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали до температур ниже А1, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.
Отпуску подвергают все закаленные стали с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при некотором снижении твердости и прочности.
В зависимости от требований предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах.
Низкий отпуск (150°-220°С) проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.
Средний отпуск (300°-500°С) проводят с целью более полно снять напряжения и повысить ударную вязкость за счет более значительного снижения твердости. Применяется для деревообрабатывающего инструмента, рессор, пружин, штампов. Получаемая структура - тростит отпуска.
Высокий отпуск (500°-680°С) проводят обычно для деталей из легированных сталей с целью получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости .
2.Термическая обработка чугунов.
Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают при литье и вызывают изменения размеров и формы отливки с течением времени, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.
Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию) .
Отжигу для снятия внутренних напряжений подвергают чугуны при следующих температурах:
- серый чугун с пластинчатым графитом 500° –570°С;
Высокопрочный с шаровидным графитом 550° – 650°С;
Низколигированный 570° – 600°С;
Высоколигированный чугун (типа нирезист) 620° – 650°С.
Нагрев медленный со скоростью 70° – 100°С/ час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250°С (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20° – 50°С /ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе.
При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние превращения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.
Графитизирующий отжиг применяют для получения ковкого чугуна из белого чугуна и для устранения отбела отливок из серого чугуна.
Графитизацию при температурах выше критической можно представить следующим образом:
Цементит → аустенит и графит .
Процесс графитиззации начинается с возникновения графитных центров, которые наиболее легко зарождаются в местах нарушения сплошности – в закалочных и деформационных микротрещинах, усадочных микропорах. В исходном состоянии белый доэвтектический чугун имеет структуру, которая состоит из перлита, вторичного и эвтектического цементита. При переходе через эвтектоидный интервал температур перлит превращается в аустенит, а при повышении температуры до 950°-1000°С происходит распад цементита (эвтектического и вторичного) и образуется структура аустенит и графит. Этот процесс называют первой стадией графитизации.
Полной графитизации, то есть получения структуры, которая состоит из перлита и графита, можно достигнуть охлаждением чугуна;
1. в эвтектоидном интервале температур с такой скоростью, чтобы происходил прямой эвтектоидный распад аустенита на феррит и графит
(А → Ф + Г);
2. немного ниже эвтектоидного интервала температур с образованием из аустенита перлита с выдержкой при этой температуре для графитизации эвтектоидного цементита (Ц → Ф + Г).
И в том и в другом случае будет получаться структура феррит и графит; этот процесс называют второй стадией графитизации.
Отжиг с предварительной закалкой заключается в том, что белый чугун подвергают закалке с 900°-950°С в воде или масле. При закалке, во время мартенситного превращения, образуются многочисленные микротрещины, в которых наиболее легко зарождаются центры графитизации.
Отжиг с предварительной низкотемпературной выдержкой заключается в том, что белый чугун выдерживают в течении 6-ти - 8-ми часов при температуре 350°-400°С. Число центров графитизации увеличивается, и сокращается время отжига. Механизм влияния низкотемпературной выдержки ещё не установлен.
Низкотемпературный отжиг применяют для снятия внутренних остаточных напряжений отливок серого чугуна. Данный отжиг проводят по следующему режиму: медленный нагрев отливок (30°-180°С/ч) до 530°-620°С, выдержка при этой температуре 1-4 часа (с момента нагрева до заданной температуры наиболее толстого сечения отливки) и медленное охлаждение вместе с печью со скоростью 10°-30°С/ч до 250°-400°С. В результате такого отжига внутренние остаточные напряжения уменьшаются на 80-85% и увеличивается количество феррита .
2.2 Нормализация
Нормализацию применяют для увеличения связанного углерода, повышения твердости, прочности и износостойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов. При нормализации чугун нагревают выше температур интервала превращения (850°-950°С) и после выдержки в течение 0.5-3.0 часа, при которой должно произойти насыщение аустенита углеродом, охлаждают на воздухе.
Растворение графита в Y-фазе является важным процессом при нормализации чугуна с ферритной или феррито-перлитной структурой. Этот процесс подобен цементации стали; разница в том, что при цементации происходит насыщение поверхностного слоя стальной детали углеродом из внешней среды, а при нагреве чугунной отливки «карбюризатором» являются многочисленные включения графита, расположенные в металлической основе, и насыщение углеродом происходит во всём объёме отливки .
2.3 Закалка
При закалке чугуна превращения аналогичны превращениям, происходящим при закалке стали. Но в связи с наличием в чугуне включений графита закалка чугунов имеет следующие особенности.
Закалка проводится из двухфазного аустенито-графитного состояния.
При нагреве происходит растворение графита в аустените, в связи с чем, несмотря на различную исходную структуру чугуна, превращению при охлаждении подвергается аустенит с эвтектоидной или заэвтектоидной концентрацией углерода. Закалке подвергают серый, ковкий и высокопрочный чугун для повышения твёрдости, прочности и износостойкости. По способу выполнения закалка чугуна может быть объёмной непрерывной, изотермической и поверхностной.
При объёмной непрерывной закалке чугун нагревают под закалку (медленно для отливок сложной конфигурации) до температуры на 40° – 60°С выше интервала превращения (обычно до 850° – 930°С) с получением структуры аустенит и графит. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10 – 15 мин для перлитных чугунов и до 1,5 – 2 часа для ферритных чугунов. Отливки охлаждают в воде (простой конфигурации) или в масле (сложной конфигурации).
При изотермической закалке чугун нагревают до 830° – 900°С выдерживают 0,2 – 1,5 часа и охлаждают в расплавленных солях, имеющих температуру 250° – 400°С, и после выдержки охлаждают на воздухе. Структура чугуна после изотермической закалки состоит из бейнита, остаточного аустенита и графита. Преимущество изотермической закалки – резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления.
Поверхностную закалку с нагревом с помощью токов высокой частоты применяют для повышения поверхностной твёрдости и износостойкости чугунных отливок. Поверхностной закалке рекомендуется подвергать перлитные чугуны. Это объясняется тем, что при нагреве перлитных чугунов нет необходимости в насыщении аустенита углеродом за счёт растворения графита. Превращения, происходящие при поверхностной закалке таких чугунов, аналогичны превращениям при поверхностной закалке перлитных чугунов 840° – 950°С, время нагрева – несколько секунд, скорость нагрева около 400°С/с, охлаждение в воде или эмульсии. Микроструктура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит и включения графита. После поверхностной закалки проводится низкий отпуск. Поверхностной высокочастотной закалке подвергают детали из перлитного чугуна, работающие на износ – направляющие станин станков (изготовляемые из модифицированного серого чугуна), коленчатые и кулачковые валы (из высокопрочного чугуна), гильзы цилиндров (из легированного чугуна) и другие детали .
2.4 Отпуск
Отпуск проводится с целью снятия термических напряжений, повышения твёрдости, прочности и износостойкости. Нагрев проводят медленный для
сложных изделий до температуры 150° – 300°С для деталей работающих на износ или 400° – 600°С, затем дают выдержку 1 – 3 часа. Охлаждение проводят на воздухе .
3. Технология термической обработки цветных металлов.
3.1Алюминий и его сплавы
подвергают различным видам термической обработки в зависимости от состава сплавов, вида полуфабрикатов, деталей и заготовок, а также их назначения. В алюминии нет полиморфного и мартенситного превращений. Поэтому для алюминиевых сплавов виды термической обработки, связанные с этими превращениями, исключены.
Отличительная особенность алюминия заключается в его высокой теплопроводности, поэтому проблема прокаливаемости имеет важного значения. Склонность алюминия и его сплавов к взаимодействию с газами, составляющими атмосферу печи, невелика. Поэтому не возникало особой необходимости.
Наибольшее распространение для алюминиевых сплавов получили три вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.
Отжиг. Отжиг алюминиевых сплавов применяют в том случае, когда необходимо ликвидировать нежелательные последствия, связанные с неравновесностью структуры. Наиболее часто при неравновесной структуре наблюдается пониженная пластичность, низкая коррозионная стойкость и недостаточная деформационная способность. Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены следующие ее разновидности:
1. Неравновесное состояние, свойственное литым сплавам. При получении слитков и отливок скорости охлаждения достаточно высоки, и поэтому кристаллизация протекает в неравновесных условиях, что приводит к явлениям дендритной ликвации компонентов сплава. При этом легирующие компоненты в примеси распределяются неравномерно по объему литых зерен, а на границах появляются неравновесные интерметаллические фазы. Такой характер структуры обусловливает низкую технологическую пластичность сплавов и малую коррозионную стойкость.
2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией, при которой происходят существенные структурные изменения, часть энергии деформации поглощается, и свободна" энергия системы повышается.
3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей термической обработки. Основная особенность такого состояния - присутствие в сплаве более или менее пересышеного легирующими компонентами твердого раствора на основе алюминия.
4. Неравновесное состояние, вызванное остаточными напряжениями в объеме металла.
При отжиге, основными параметрами которого являются температура и скорость нагрева, а также продолжительность выдержки при заданной температуре, все рассмотренные выше отклонения от равновесного состояния могут быть устранены. При этом пластичность сплавов всегда возрастает.
Для алюминиевых сплавов применяют следующие виды отжига: гомогенизационный отжиг, рекристаллизационный отжиг деформированных полуфабрикатов, отжиг термически упрочненных сплавов для разупрочнения и отжиг для снятия остаточных напряжений .
Закалка. Сущность процесса состоит в нагреве сплавов до температур, достаточных для растворения низкотемпературных фаз, выдержке при этих температурах и охлаждении со скоростями, обеспечивающими отсутствие процессов распада.
Температуру нагрева под закалку выбирают в зависимости от природы сплава. Так как растворение неравновесных фазовых процессов - диффузионный, то температура закалки должна быть возможности высокой. Она не может превышать темпера неравновесного солидуса сплавов из-за возникновения пережога, резко снижающего механические свойства. Продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку определяется скоростью растворения легирующих элементов, входящих в избыточные фазы, и зависит от природы сплава, его структурного состояния и условий нагрева. Скорости охлаждения при закалке должны обеспечивать фиксацию в твердом растворе концентраций легирующих компонентов, свойственных высоким температурам. При выборе охлаждающей среды необходимо принимать во внимание и толщину изделий .
Старение. Старение применяют для повышения прочностных характеристик алюминиевых сплавов. Для этого можно использовать естественное и искусственное старение.
Изменения структуры и свойств определяются разными механизмами распада в зависимости от температуры и времени старения. При низких температурах или коротких временах выдержки упрочнение связано с образованием зон Гинье -Престона (ГП) (рис.6) .
Рис.6 Схема зоны Гинье-Престона (по Герольду): белые кружки - атомы алюминия; черные - атомы меди
Этот вид старения, являющийся основным для сплавов типа дуралюмина, называют зонным старением. С увеличением температуры старения или времени выдержки может проявиться другой механизм упрочнения, когда оно достигается вследствие выделения из твердого раствора метастабильных фаз, которые имеют с матрицей когерентные или полукогерентные границы. Такое старение, протекающее обычно при повышенных температурах, называют фазовым старением:
Дальнейшее увеличение времени старения приводит к тому, что образуются выделения стабильных фаз, имеющие с матрицей некогерентные границы. Коагуляция этих фаз разупрочняет сплавы, и соответствующий вид старения называют коагуляционным старением.
Возврат при старении. Этот вид термической обработки применяют к закаленным и естественно состаренным алюминиевым сплавам. Сущность этого вида термообработки сводится к следующему. Если естественно состаренный сплав алюминия нагреть на очень короткий промежуток времени до температур, превышающих линию сольвуса для зон Гинье - Престона, то зоны растворяются, а процессы фазового старения еще не успевают протекать. При последующем быстром охлаждении структура и свойства сплава соответствуют свежезакаленному состоянию .
3.2 Титан и его сплавы
Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680°С.
Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.
При температуре 882°С титан претерпевает полиморфное превращение, титан с гексагональной решеткой переходит в – титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.
Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500°С становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:
Сочетание высокой прочности( МПа)с хорошей пластичностью ;
Малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;
Хорошая жаропрочность, до 600…700°С;
Высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур .
3.3 Магний и его сплавы
Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см³. Температура плавления – 650°С. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа. Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные. Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420°С, старение при температуре 260…300°С в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа .
3.4 Медь и ее сплавы
Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083°С. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu). Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди. Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами .
4. Оборудование для термической обработки
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. 7) и автоматизированные агрегаты .
Рис. 7. Механизированная электропечь:
1 - нагревательная камера; 2 - закалочная камера; 3 - подъемный столик; 4 - вентилятор; 5 - нагреватели; 6 - цепной механизм для передвижения поддона с деталями
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 1. 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 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 закалки 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. 8), нагрев происходит последовательно путем перемещения изделия относительно индуктора с рассчитанной скоростью .
Рис. 8. Расположение индуктора, закаливаемой цилиндрической детали и спрейера при закалке с нагревом ТВЧ:
I - деталь; 2 - индуктор; 3 - спрейер
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-термической обработки, поверхностного наклепа обкатки), состоит также в том, что в поверхностных слоях деталей возникают значительные сжимающие напряжения. 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 корпусных 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 .
Заключение
В данной работе были рассмотрены основные виды термических обработок, различных материалов, и оборудования применяемое в производстве.
Непрерывное улучшение качества, повышение производительности, надежности и долговечности машин в значительной степени определяется прогрессом технологии, важнейшим этапом которой является термическая обработка, формирующая окончательные, эксплуатационные свойства металлов.
Основными материалами, которые подвергаются термической обработки являются сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы.
Совершенствование процессов термической обработки наряду с правильным выбором материалов для конкретных условий эксплуатации приводит к уменьшению металлоемкости изделий, снижению трудоемкости их изготовления, экономии материальных и энергетических ресурсов, повышению производительности труда.
Важным фактором является выбор правильного технологического режима, который включает себя: отжиг, нормализация, отпуск, старения и т.д
Список литературы
1. Технология термической обработки метала / А.И. Самохоцкий, Н.Г. Парфеновская. – М.: Машиностроение, 1976.
2. Блюм Э.Э., Потехин Б.А., Резников В.Г [Электронный ресурс] // Основы термической обработки сталей /Свободный доступ из сети Интернет. - http://tmetall.narod.ru/mater/materpos/konspekt1.html
3. Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста – М: “Высшая школа”, 1986, с. 113.
4. Материаловедение:Учебник для высших технических учебных заведений./ Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Машиностроение, 1986.-384 с, ил.
5. Третьякова Н.В [Электронный ресурс] // Материаловедение /Свободный доступ из сети Интернет. - http://elib.ispu.ru/library/lessons/tretjakova/index.html
Одними из основных стратегических направлений компании ЗАО «СМК» является поставка оборудования для термической и химико-термической обработки металлов , а также проектирование термических цехов и комплексный инжиниринг по подбору оборудования и технологий термообработки.
Предлагаемое нами оборудование применяется в различных отраслях промышленности - в металлургическом и литейном производстве, авиакосмической отрасли, автомобилестроении, машиностроении, на инструментальном и подшипниковом производстве, строительстве и во многих других.
Помимо поставки и запуска оборудования компания ЗАО «СМК» берет на себя гарантийное и послегарантийное обслуживание поставляемого оборудования, своевременно обеспечит расходными материалами и запасными частями.
ЗАО «Современная Машиностроительная Компания» предлагает промышленным предприятиям комплексное оснащение «под ключ» термическим оборудованием ведущих мировых производителей TENOVA LOI THERMPROCESS (Италия, Германия, ФранциЯ), а также Чешских производителей.
Технология и оборудование для термической обработки металлов
| « REALISTIC » (Чехия) - крупные промышленные газовые и электрические печи, линии для комбинированной термообработки, плавильные и раздаточные печи, специальные печи. | |
 | «
MAHLER
» (Германия) -
проходные печи для спекания порошковых материалов, отжига труб, пайки и пр. видов термообработки, печи с выкатным подом с газовым и электрическим нагревом. |
 | « BMI » (Франция) - горизонтальные и вертикальные вакуумные печи с газовым, масляным и комбинированным охлаждением, установки для вакуумной химико-термической обработки. |
 | « SCHMETZ » (Германия) - горизонтальные и вертикальные вакуумные печи с газовым охлаждением. |
 | « IVA » (Германия) - горизонтальные и вертикальные промышленные газовые и электрические печи, сложные линии для комбинированной термообработки, печи для химико-термической обработки. |
 | «С EI A» (Италия) - современные установки ТВЧ для термообработки, пайки, плавки с преобразователями на транзисторной платформе. |
| « LINN HighTherm » (Германия) - камерные и ретортные печи сопротивления; индукционные печи и установки индукционного нагрева, пробоподготовка для спектроскопии; системы выращивания монокристаллов SiC; промышленные микроволновые печи; линии для получения SIC-композитного волокна, специальные печи. |
Эти печи имеют полностью металлическую изоляцию с низким уровнем выделения газов, большие насосные агрегаты для создания высокого уровня вакуума и 6 зон нагрева для обеспечения однородной температуры с колебаниями не более +/-3°C.
Вакуумные печи типа BA5_ специально адаптированы для пайки теплообменников (сотообразных, пластинчатых и т.д.), сборочных узлов в авиастроительной и аэрокосмической отраслях (волноводы и др.). В качестве альтернативы печам типа BA5_, BMI также предлагает ряд печей с горячей перегородкой для пайки алюминия некоррозийным флюсом, что широко применяется в автомобильной промышленности.
Это полностью автоматизированные установки, обеспечивающие неизменно высокие результаты.
Модельный ряд
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
B5_T (печь для пайки/обжига при высокой температуре).
Эта вакуумная печь может быть оборудована конвекционным теплообменом для сокращения времени нагрева и в случае необходимости для равномерной термической обработки при низких температурах (отпуска), а также уменьшения циклов вакуумного отжига, который часто дополняет вакуумную закалку (после прохождения садки через моечную машину).
Для повышения производительности существует возможность регулирования температуры нагревательной камеры. Герметичная внутренняя дверь гарантирует отсутствие взаимодействия масляных паров и таким образом позволяет обеспечить более высокий вакуум. Эта печь оборудована полностью автоматизированной системой загрузки и выгрузки (перемещение по рельсе и забор садки посредством лифта), что сокращает время перемещения приблизительно до 25 секунд (для печи V64TH160). Установка полностью автоматизирована и обеспечивает неизменно высокие результаты, повышая, таким образом, производительность оборудования.
программному обеспечению
Клиенты, осуществляющие серийное производство, такие как подрядчики в сфере авиастроения, отдают предпочтение однокамерным печам класса B5_TH, которые предназначены исключительно для закалки на масло. Клиенты, для которых важна гибкость, например производители деталей под заказ, отдают предпочтение печи B6_TH и ее конструкции, которая позволяет одновременно осуществлять закалку газом, закалку на масло и - по заказу - цементацию. При массовом производстве, таком как производство автомобилей, наши клиенты чаще выбирают вакуумные печи типа P16_TH.
Технические параметры установки
|
Модельный ряд
|
: B5_TH (однокамерная печь, предназначенная для закалки на масло), B6_TH (двухкамерная печь, позволяющая выполнять закалку газом и закалку на масло), P16_TH (двухкамерная печь, предназначенная для закалки на масло и для обработки крупных садок).
Эта вакуумная печь может быть оборудована конвекционным теплообменом для сокращения времени нагрева и, в случае необходимости, для равномерной термической обработки при низких температурах, а также уменьшения циклов вакуумного отжига, который часто дополняет вакуумную закалку (после прохождения садки через моечную машину).
Для экономии энергоресурсов и повышения производительности существует возможность регулирования температуры нагревательной камеры. Герметичная внутренняя дверь гарантирует отсутствие взаимодействия масляных паров и, таким образом, позволяет обеспечить более высокий вакуум. Эта печь оборудована полностью автоматизированной системой загрузки и выгрузки при помощи микролифта, что сокращает время передачи тепла приблизительно до 30 секунд. Установка полностью автоматизирована и обеспечивает неизменно высокие результаты, повышая, таким образом, производительность оборудования.
Дополнительно BMI предлагает установить на всех печах вакуумной закалки на масло систему цементации при низком давлении типа ALLCARB ® , которая доказала свою эффективность при производстве: точность, надежность и однородность . Ее использование становится более простым благодаря программному обеспечению , позволяющему рассчитывать параметры цикла в зависимости от желаемой глубины цементации и марки стали; при этом сохраняется возможность изменять эти параметры цементации в конкретных случаях применения.
Клиенты, осуществляющие серийное производство, такие как поставщики в сфере авиастроения, отдают предпочтение однокамерным печам класса B5_TH, которые предназначены исключительно для закалки на масло. Клиенты, для которых важна гибкость, например производители деталей под заказ, отдают предпочтение печи B6_TH и ее конструкции, которая позволяет одновременно осуществлять закалку газом, закалку на масло и - по заказу - цементацию. Клиенты, которые работают с длинномерными деталями, такими как компоненты узлов приземления в авиационной промышленности, отдают предпочтение ряду вертикальных печей закалки на масло типа V6_TH.
Технические параметры установки
Модельный ряд
Смежная продукция (тот же класс печей - для обзора продукции): B5_TH (однокамерная печь, предназначенная для закалки на масло), B6_TH (двухкамерная печь, позволяющая выполнять закалку газом и закалку на масло), V6_TH (вертикальная печь для закалки на масло для обработки крупных и длиномерных деталей).
Для повышения производительности существует возможность регулирования температуры нагревательной камеры. Герметичная внутренняя дверь гарантирует отсутствие взаимодействия масляных паров и, таким образом, позволяет обеспечить более высокий вакуум. Эта печь оборудована полностью автоматизированной системой загрузки и, что сокращает время передачи тепла приблизительно до 25 секунд. Установка полностью автоматизирована и обеспечивает неизменно высокие результаты.
Дополнительно BMI предлагает установить на всех печах вакуумной закалки на масло систему цементации при низком давлении типа ALLCARB ® , которая доказала свою эффективность при производстве: точность, надежность и однородность . Ее использование становится более простым благодаря программному обеспечению , позволяющему рассчитывать параметры цикла в зависимости от желаемой глубины цементации и марки стали; при этом сохраняется возможность изменять эти параметры цементации в конкретных случаях применения.
Если закалка газом не является обязательной, клиенты, осуществляющие серийное производство, такие как поставщики для авиастроения, отдают предпочтение однокамерным печам класса B5_TH, которые предназначены исключительно для закалки на масло. При массовом производстве, например в сфере автомобилестроения, наши клиенты чаще выбирают вакуумные печи типа P16_TH. Клиенты, которые работают с длинномерными деталями, такими как компоненты узлов приземления в авиационной промышленности (шасси и т.п.), отдают предпочтение ряду вертикальных печей закалки маслом типа V6_TH.
Технические параметры установки
Модельный ряд
Дополнительно BMI предлагает установить на всех печах вакуумной закалки на масло систему цементации при низком давлении типа ALLCARB ® , которая доказала свою эффективность при производстве: точность, надежность и однородность . Ее использование становится более простым благодаря программному обеспечению , позволяющему рассчитывать параметры цикла в зависимости от желаемой глубины и марки стали; при этом сохраняется возможность изменять эти параметры цементации в конкретных случаях применения.
При массовом производстве, таком как производство автомобилей, наши клиенты чаще выбирают вакуумные печи типа P16_TH. Клиенты, для которых важна гибкость, например производители деталей под заказ, отдают предпочтение печи B6_TH и ее конструкции, которая позволяет одновременно осуществлять закалку газом, закалку маслом и - по заказу - цементацию. Клиенты, которые работают с длинномерными деталями, такими как компоненты узлов приземления в авиационной промышленности (шасси и т.п.), отдают предпочтение ряду вертикальных печей закалки на масло типа V6_TH.
Технические параметры установки
Модельный ряд
Смежная продукция (тот же класс печей - для обзора продукции): B6_TH (двухкамерная печь, позволяющая выполнять закалку газом и закалку на масло), P16_TH (двухкамерная печь, предназначенная для закалки на масло и обработки крупных садок), V6_TH (вертикальная печь закалки на масло для обработки крупных и длинномерных деталей).
Вакуумные печи типа B5_TM были специально разработаны для вакуумного отжига типа MIM (Metal Injection Molding) на основе вакуумных печей типа B5_T. Кроме мощных насосных агрегатов, эти вакуумные печи типа B5_TM, предназначенные для работы с температурами до 1450°C, могут быть оборудованы изоляцией из 100% графита или металла (экраны из молибдена и нержавеющей стали) с учетом чувствительности сплавов, которые будут подвергаться обработке.
В зависимости от выбранных опций, это оборудование будет наилучшим образом адаптировано для вакуумной обработки: пайки, обжига, выведения специальных сплавных газов, MIM, прокаливания, выдержки, борирования, цементации при низком давлении ALLCARB ® .
Технические параметры установки
|
Модельный ряд
|
Смежная продукция (тот же класс печей - для обзора продукции) : VSE8_T (вертикальная вакуумная печь с подъемным подом специально адаптирована для пайки), BMICRO (компактная вакуумная печь для обработки при высокой температуре), B8_T (горизонтальная вакуумная печь дает возможность выполнять операции по закалке под высоким давлением и осуществлять циклы при низкой температуре в зависимости от дополнительных функций).
Благодаря небольшой стоимости и незначительным затратам на обслуживание, эта небольшая вакуумная печь типа BMICRO является более экономичной альтернативой аутсортингу.
Эта небольшая промышленная печь наилучшим образом адаптирована для основных видов вакуумной термической обработки при высоких температурах, таких как закалка газом, пайка, снятие напряжений, прокаливание и цементация при низком давлении типа ALLCARB ® - это дополнительные опции. Эти маленькие вакуумные печи могут быть оборудованы конвекционным нагревом для сокращения времени нагрева и равномерной термической обработки при низких температурах, а также уменьшения циклов вакуумного отжига, который часто дополняет вакуумную закалку газом.
Технические параметры установки
|
Модельный ряд
BMICRO - это экономически выгодная альтернатива для обработки садок небольшого размера, а печь B8_T больше подходит для обработки более плотных садок.
Технические параметры установки
|
Модельный ряд
Модельный ряд Смежная продукция: VSE8_T (вертикальное исполнение) и BMICRO (компактная печь для вакуумной газовой закалки) |
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.
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.
Металлы и их сплавы закаливают для повышения твёрдости. Этот процесс имеет многовековую историю – от кузнечного горна и ведра с водой, в которое с шипением опускался раскалённый клинок, до высокотехнологичного оборудования современных металлургических производств.
Суть состоит в том, что материал нагревают до той температуры, при которой он приобретает новые свойства, а потом резко охлаждают, фиксируя это состояние. Закаливают сталь, а также сплавы цветных металлов (бериллиевую бронзу, например). После закалки металл подвергают , суть в том, чтобы убрать хрупкость, придав эластичность.
Наиболее широко разработаны процессы закалки стали – с разнообразным оборудованием, материалами, технологиями.
Сталь – сплав железа с легирующими добавками и углеродом, нагревают до той температуры, при которой атомы железа и добавок выстраиваются в кубические гранецентрированные решётки. Внутри этих структур «растворены» атомы углерода. Это аустенит.
Затем материал охлаждают так, что решётки железа с добавками становятся кубическими, а атомы углерода выстраиваются в прямоугольные «пакеты», расположенные между кубическими структурами. Это мартенсит, имеющий игольчатое строение и высокую твёрдость.
Так происходит закалка стали. Основные операции: раскалить и остудить – обеспечивает соответствующее нагревательное оборудование и охлаждающие материалы.
Нагревательное оборудование
В зависимости от глубины и степени закалки, формы и размеров закаливаемой детали применяют разные способы её разогрева.
ТВЧ-установка
создаёт высокую температуру за счёт электромагнитной индукции: средне- и высокочастотный переменный ток, который проходит по петлям индуктора, создаёт вихревые токи на поверхности закаливаемого изделия, расположенного рядом с ним, и нагревает её.
Чем выше частота переменного тока, тем больше раскаляется поверхность изделия.
Понизив частоту, можно достичь нагрева более глубоких участков.
Однако детали большого сечения, а также имеющие сложную поверхность, обработать этим способом не удастся.
Таким образом, к преимуществам установок ТВЧ относится : экономичность и скорость нагрева, отсутствие окалины, деформаций и трещин при закалке, автоматический контроль и механизация процесса.
Недостатками является неэффективность при работе со сложными профилями и массивными деталями.
Соляная электродная ванна
нагревает детали за счёт электролиза соляного расплава. Она представляет собой наполненную солью ёмкость из керамики или металла. В неё погружены электроды, а также электронагреватель, который производит пуск ванны, расплавляя соль. Ванна защищена корпусом и зонтом, расположенным над ней. Такое оборудование обеспечивает быстроту и равномерность нагрева деталей, погружаемых в расплав.
Преимуществами являются : скоростной нагрев, равномерность поля температур (погрешность не выше 1ºС), частичный нагрев (если в ванну погружён только нужный участок детали), отсутствие окисления поверхности металла, высокие температуры (от 800 до 1300ºС, в зависимости от применяемой соли).
К недостаткам относится : выделение вредных испарений с поверхности расплавленной соли, а также взрывной выброс расплава, если в него попадает вода или загружаются влажные изделия.
Камерная печь имеет плотно закрывающийся отсек с обогревом и хорошей теплоизоляцией, во внутреннем пространстве которого создаются высокие температуры — от 800 до 1400ºС. В зависимости от того, чем производится обогрев, камерные печи бывают электрическими, нефтяными и газовыми.
Преимущества таких печей– равномерный нагрев, разработанные механизмы регулирования температуры и управления процессом.
Недостаток – образование окалины в результате взаимодействия металла с атмосферным воздухом при нагреве до высоких температур.
В дополнительно герметизированных печах с устройствами для нагнетания в рабочую камеру защитного газа (аммиак, лёгкие углеводороды) окалина не образуется.
Печь непрерывного горения
В том случае, если технологический процесс предусматривает постоянное закаливание деталей, применяют непрерывно действующие печи. В них, в соответствии с требованиями технологии, производят нагрев и выдержку изделий при заданной температуре в течение контролируемого времени.
По способу подачи изделий на закалку печи непрерывного горения подразделяются на конвейерные, толкательные и протяжные .
Процессы нагрева и выдержки автоматизированы и управляемы . Вместе с тем, закалка в таких печах (без защитного газа) сопряжена с образованием окалины и обезуглероживанием стали .
Вакуумная печь отличается от обычных камерных тем, что внутри неё, помимо высокой температуры, создаётся вакуум – до 5х10 -6 мбар. В результате снимаются проблемы, связанные с образованием окалины, обезуглероживанием и науглероживанием стали .
Эти печи, снабжённые, помимо нагревателей и теплоизолирующего корпуса, вакуумным насосом, выпускаются в промышленном, более масштабном варианте и с относительно небольшими габаритами – для исследовательских, лабораторных целей.
Материалы для закаливания: среда охлаждения.
При закалке изделие после нагрева требуется охладить. Для этого разогретую деталь погружают в среду с более низкой температурой. Такие среды могут быть жидкими и газообразными.
Вода
является часто используемой для охлаждения стали жидкостью. Если в такой воде присутствует даже малое количество солей либо моющих средств, параметры охлаждения меняются. Поэтому вода должна быть чистой. Частой её замены не требуется. Температура воды должна находиться в интервале от 20 до 30 градусов. Недопустимо охлаждение закаляемой детали в проточной воде.
Недостатком водного охлаждения является возникновение трещин и деформация при этом процессе. Поэтому закаливают в воде преимущественно несложные по форме изделия.
Водный раствор каустической соды
применяют, чтобы закалить изделия сложной конфигурации, изготовленные из конструкционной стали. Концентрация раствора – 50%. Он может быть холодным либо нагретым до 50-60ºС. При такой закалке образуются едкие пары, поэтому рабочее пространство должно обязательно иметь эффективную вытяжную вентиляцию.
Используют также горячие концентрированные растворы щелочей NaOH и KOH .
Минеральное масло
используют при закалке стали с легирующими добавками. В масляной ванне скорость, с которой охлаждается деталь, не зависит от температуры масла. Если масло нагрето до ста градусов и ниже, при попадании воды деталь может растрескаться, но при температуре масла выше 100ºС трещины не образуются.
Масляная закалка, вместе с тем, имеет недостатки: образуются вредные газы; изделие покрывается налётом; закаливающая способность постепенно снижается. Кроме того, минеральные масла легко воспламеняются.
Растворы солей
Горячие (от 150 до 500ºС) расплавы солей и их концентрированные растворы применяют для ступенчатой и изотермической закалки. При этом используются нитраты и нитриты калия и натрия. Интенсивность охлаждения в таких ваннах можно повышать, дополнительно вводя воду. Она поступает в глубину расплава/раствора, частично испаряется, частично поглощается солью. При этом в условиях данной температуры соль поглощает строго определённое количество воды. В результате создаются стабильные условия охлаждения. Температура ванны и содержание в ней воды контролирует автоматика.
Газ
также может охладить раскалённую сталь. С этой целью применяют обдувку изделия осушённым воздухом, подаваемым с помощью компрессора или вентилятора. Кроме того, используют охлаждение с помощью потоков азота, аргона. Продувание изделия инертным газом особенно эффективно при охлаждении в вакуумных печах.
Полное описание процесса закалки
Рассмотрим закалку стального изделия на конкретном примере.
Оборудование: камерная печь. Охлаждающий материал: масло.
Допустим, есть изделие из нержавеющей стали марки 40Х13.
Температура закалки для неё составляет 1050-1100ºС.
Проводят расчёт скорости нагрева. Этот расчёт учитывает форму изделия, расположение его в печи, а также нагревательную среду.
Изделие помещается в камерную печь и нагревается до нужной температуры с рассчитанной скоростью.
По достижении назначенной температуры деталь выдерживается в этих температурных условиях определённое время, чтобы произошёл полный её прогрев и нужные структурные превращения металла.
Затем изделие извлекают и постепенно, круговыми движениями, погружают, до полного остывания, в ванну с минеральным маслом — подходящей охлаждающей средой для легированных сталей, к которым относится 40Х13.
Место, где стоит охлаждающая ванна, должно иметь вытяжную вентиляцию.
Правильно подобранный режим закалки с использованием соответствующего оборудования и материалов позволяет значительно повысить твёрдость металлических изделий.