Реферат: Технология и оборудования термической обработки в машиностроение. Оборудование для термообработки – основные виды печей Оборудование для термообработки металлов

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.

В металлургических заводах и термических цехах используется огромное количество различных видов нагревательного оборудования. Самое распространенное оборудование представлено ниже.

Шахтные печи для термообработки различных размеров. Подходят для многих процессов термообработки: для нагрева под закалку, для отжига, отпуска, цементации. Подходят для термообработки цветных сплавов, где технологией не предусмотрена высокая точность технологических параметров и скорость переноса садки из печи в закалочную среду. Шахтные печи, которые есть практически на каждом участке термообработки, это печи серии Ц, СШЦ, США. Их чаще всего устанавливают в приямки или кессоны. Печи с небольшой глубиной допускается устанавливать на пол цеха. Если высота печи, при такой установке, не позволяет производить безопасное обслуживание оборудования, то на высоте допустимой рабочей зоны устанавливается перекрытие. Шахтные печи, так же как и камерные, могут быть с электрическим нагревом и газовым. Позволяют обрабатывать изделия в абсолютно любой атмосфере: эндогаз, азот, воздух, вакуум, водород и др. Чаще всего такие печи используютя для термической обработки длинномерных стальных деталей и узлов, крупногабаритных поковок и отливок, отжига или нормализации проволоки, проката, профиля, листов. Конструктивным признаком шахтных печей является наличие реторты из коррозионостойких сплавов. На практике очень часто используют углеродистые сплавы с 18%Cr + 24%Ni + 2%Si. Содержание углерода в сплаве зависит от максимальной нагрузки на под реторты. Если обработка деталей проводится в агрессивных средах, то используют сплавы с добавками ниобия. В качестве футеровки печей используется кирпич марок КЛ или ШТЛ. Последние несколько лет, заменой кирпичной футеровки служит футеровка из минеральной ваты МКРР, МКРВ и др. Вата имеет ряд преимуществ: она более легкая, более удобна при монтаже и демонтаже, имеет более низкую теплопроводность и более высокую стоикость. При этих своих свойства, вата стоит в несколько раз дешевле кирпича. Применение ватной футоровки возможно как на шахтных печах, так и на камерных печах, на автоматизированных агрегатах, на колпаковых печах.

Камерные печи для термической обработки больше подходят для термической обработки средних и мелких деталей. Могут использоваться на любых типах производств и для любых технологий обработки. Их можно использовать как отдельно стоящие единицы оборудования, так и составе гибких автоматизированных комплексов. Такой комплекс обычно состоит из одной или нескольких нагревательных печей, совмещенного с ними закалочного бака (масло, вода, полимеры), моечной камеры, камер отпуска, которые также могут быть совмещены с водяным баком для охлаждения, с целью избежания отпускной хрупкости. Иногда, в составе таких линий используются камеры обработки холодом, для уменьшения остаточного аустенита после закалки. Автоматизированные комплексы обычно объединены одной погрузо-разгрузочной рельсовой транспортной системой.

Разновидностью камерных печей являются вакуумные печи для термообработки , которые могут использоваться для термической обработки, пайки, спекания материалов.

Вакуумную термообработку применяют для инструмента, быстрорежущих сталей, титановых сплавов, меди, тугоплавких металлов, конструкционных сталей. Основной особенностью вакуумных печей является высокая точность технологических параметров. Отклонения температуры в рабочем пространстве печи менее ±5ºС. Печи также могут использоваться в составе линий термообработки. В качестве закалочных сред применяют азот, гелий, воздух, масло. В составе вакуумных линий никогда не используется водяные закалочные баки. Это усложняет закалку низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Внутренняя поверхность печей обычно выполняется из листового молибдена, нагревательные элементы могут быть выполнены из графита, керамики, порошковых материалов. Максимально достигаемое значение вакуума в рабочей камере составляет 0,00005 мбар, максимальльное давление охлаждающей среды составляет 20 бар, максимальная температура – 1300ºС. Для охлаждения рабочей камеры во время технологических процессов используется вода. Кроме рабочей камеры, в составе оборудования должен быть вакуумный насос, рессивер с газовой средой охлаждения, установка оборотного водоохлаждения. Как правило все процессы вакуумной термической обработки имеют степень автоматизации 0,7-0,85. Из недостатков такой термообработки можно назвать обезлегирование поверхности сплавов при высокой температуре, долгая подготовка деталей (мойка, обезжиривание, сушка, иногда предварительный обжиг), высокая стоимость оборудования. Но гораздо больше вакуумная термообработка имеет преимуществ: незначительные коробления изделий, светлая поверхность после обработки, сокращение времени цементации примерно в 2 раза, высокая степень автоматизации, экологичность процессов, возможность совмещать нанесение покрытий, термическую и химико-термическую обработку.

Печи с выдвижным подом используются для термообработки крупногабаритных и массивных деталей и узлов. Загрузка и выгрузка обычно происходит при помощи кранов и кран-балок. К недостаткам таких печей можно отнести большие теплопотери и большие габариты за счет выдвижного пода. Печи часто используют для аустенитизации, отжига сварных конструкций. Также такие печи могут использоваться для нагрева заготовок под ковку. В этом случае загрузка и выгрузка производится при помощи манипуляторов или роботов. Нагрев рабочего пространства может быть как газовый, так и электрический. Равномерность перепада рабочих температур обеспечиваю вентиляторы из жаростойких сплавов.

Из оборудования для крупносерийных производств, можно назвать автоматизированные агрегаты для термической обработки металлов . Такие линии обычно используются на автомобильных, тракторных, агрегатных производствах. Состав оборудования не отличается от линий камерных печей. Рабочие камеры могут быть выстроены в одну линию или образовывать замкнутый технологический цикл обработки. Детали и узлы располагаются на поддонах, которые приводятся в движение конвейерным приводом. Скорость движения конвейера может быть непрерывной и измеряться в м/ч или характеризоваться циклическим темпом толкания (одно перемещение в 10 минут). Автоматизированные агрегаты могут быть однорядными и 2-х, 3-х рядными. Иметь разную длину нагревательных и отпускных камер. Степень автоматизации практически сопоставима с вакуумным оборудованием, время ручного труда также уходит только на загрузку-разгрузку приспособлений для базирования деталей в печи.

Также в термических цехах используется дополнительное оборудование, например правильные прессы. Они используются для правки проката, труб, профилей, сварных конструкций. Прессы могут быть оборудованы устройствами для контроля геометрии поверхностей правки. Процесс правки может носить динамический (ударный) характер, который часто используется для правки проката и иногда для толстостенных труб или статический характер (плавная прокачка или медленное нагружение) для правки тонкостенных труб и профилей. Процесс правки имеет короткий цикл и состоит из контроля геометрии, правки и окончательного контроля. Для снятия напряженного состояния после правки, для высокоответственных изделий, делается низкотемпературный отпуск (180-200ºС).

Важную роль в технологических процессах термической обработки, играет контроль качества. Для оперативного контроля в цехах, используются стационарные твердомеры Роквелл и Бринелль. Измерения проводятся непосредственно на деталях или контрольных образцах. Для крупногабаритных изделий используются портативные твердомеры с прямым методом измерения и приборы для косвенного измерения механических свойств. Такие приборы могут измерять какую-либо физическую величину, которая напрямую зависит от твердости, прочности, пластичности или вязкости. На производстве часто используют коэрцитиметры. Контроль химико-термической обработки производят как по твердости, так и по глубине слоя на образцах-свидетелях при помощи портативного микроскопа, с нанесенной на объектив линейкой. В промышленности часто используются и другие типы основного оборудования, например установки закалки деталей токами высокой частоты, плазменной и лазерной закалки.

Используются специализированные установки для единичного производства определенных деталей. Например существуют специализированные линии для изготовления рессор автомобилей. Это автоматизированная линия, которая осуществляет индукционный нагрев заготовки для рессоры, гибку и охлаждение в воде или прессе. Есть специализированная линия для термообработки пружин сцепления автомобилей, где закалка и отпуск осуществляются в специальных прессах. Часто термическое оборудование выстроено в одну технологическую цепочку с оборудованием для сварки, механической обработки или высадки. Таким примером могут служить линии для высадки и термической обработки заклепок и болтов. В этой линии несколько станков для высадки головки совмещены одним конвейером с агрегатом для закалки и отпуска деталей.

Таким образом, в цехах термообработки используется просто огромное количество основного и вспомогательного оборудования, основная цель использования которого - обеспечение требуемых свойств металлических изделий.

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...

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

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).