Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

А.А. Перебоева

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Курс лекций

Укрупненная группа 150000 – Металлургия, машиностроение и материалообработка

Направление 150100 - Металлургия

Факультет Технологический

Кафедра Металловедение и термическая обработка металлов,

Красноярск

2007

РАЗДЕЛ 1. ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАЗРА-

БОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРА-

БОТКИ

Лекция 1. Роль термической обработки в повышении качества из-

делий и снижении металлоемкости машин

План лекции

1. Перспективы развития металлических материалов

2. Перспективы развития технологий термической обработки

Качество и эксплуатационная надежность промышленных изделий -

машин, механизмов и приборов – находится в непосредственной зависимости

от соответствующих свойств их элементов – деталей, соединений и узлов.

Конструкционные свойства последних связаны, в свою очередь, со свойства-

ми материала. Статическая и динамическая прочность, сопротивление хруп-

кому разрушению, задиро- и износостойкость, сопротивление усталостному

разрушению, физические, коррозионные, жаропрочные

и прочие свойства

материала принадлежат к числу основных факторов, определяющих надеж-

ность и долговечность машин.

Для современного машиностроения и других отраслей металлообраба-

тывающей промышленности, металлургии, приборостроения характерны вы-

сокие требования к свойствам материалов, обусловленные возрастающей ин-

тенсивностью нагружения машин при одновременной тенденции к уменьше-

нию массы. Во многих случаях характеристики

массы приобретают решаю-

щее значение.

Конструкторы машин при необходимости увеличения прочности и

долговечности, прежде всего, увеличивают геометрические размеры с при-

менением высоколегированных сталей, не используя технологические воз-

можности.

Например:

1. Конструктивные факторы могут увеличить нагрузочную способ-

ность редуктора в 1,5-2 раза, а в то же время установлено, что момент, пере-

даваемый цементованной

и закаленной зубчатой парой, в 4-5 раз больше мо-

мента, передаваемого улучшенной парой тех же размеров;

2. В угольных комбайнах последних марок мощность двигателей и ра-

бочая скорость увеличились примерно в 1,5 раза, но достигнуто это за счет

увеличения модуля зубчатых колес с 10 до 16 мм при использовании высоко-

никелевых сталей, а срок

службы остался небольшим – 6-12 месяцев;

3. Аналогичная тенденция в вопросах повышения долговечности зуб-

чатых пар и на заводах тяжелого машиностроения;

4. Из-за недостаточной долговечности выпускаемых деталей простои

автомобилей составляют примерно до 40%; почти 40% металлопроката, по-

требляемого автомобильной промышленностью, расходуется на ремонт ав-

томашин и при этом на каждом третьем металлорежущем станке проводятся

ремонтные работы, в которых занят каждый четвертый рабочий-станочник.

Изменить такое положение можно только за счет термической обра-

ботки, в результате которой изменяется структура металла, а значит и свой-

ства. В настоящее время термическая обработка – обязательное звено про-

изводственного процесса изготовления

современных машин, механизмов,

приборов и инструментов. При незначительных затратах на термическую об-

работку (обычно не превышающих 2-10% полной себестоимости) результаты

ее могут оказывать большое влияние на коренное улучшение качества метал-

ла и конкретных изделий.

1.1 Перспективы развития металлических материалов

Основным конструкционным материалом в ближайшие десятилетия

останутся металлы и сплавы. Выпуск металлов и сплавов в странах с высо-

ким техническим уровнем производства значительно возрастает; при этом

особенно увеличится выплавка стали, подвергаемой термической обработке.

При этом, если общее производство стали увеличится примерно в 3 раза, то

выплавка термически обрабатываемой стали возрастет более чем

в 9 раз.

Предусмотрено в 2-3 раза увеличить производство стального литья; при этом

преимущественно будет повышаться (от 60 до 80%) доля производства литья

из высоколегированной стали, подвергаемой термической обработке. За 30

лет производство чугунного литья увеличилось в 4-6 раз. В основном возрос-

ло производство высококачественного чугунного литья (модифицированно-

го, легированного и ковкого).

За последний тридцатилетний период

увеличилось производство цвет-

ных металлов и их сплавов: меди, алюминия, титана и др. для нужд авиаци-

онно-космической и пищевой промышленности. При этом основное внима-

ние будет уделено производству сплавов, подвергаемых термической обра-

ботке. Так потребление меди и ее сплавов, подвергаемых термической обра-

ботке, увеличиться от 70 до 90%, а алюминия и его

сплавов – от 80 до 90%

(по сравнению с общим объемом производства сплавов меди и алюминия).

В ближайшие десятилетия большое внимание будет уделяться выплав-

ке сталей с узкими пределами содержания углерода, ограниченным содержа-

нием примесей, а, следовательно, и неметаллических включений (прецизи-

онные сплавы), а также сталей с регламентированной величиной зерна аусте-

нита, прокаливаемостью

и текстурой. Широкое распространение получит

производство сталей высокой чистоты, выплавляемых в вакууме, и после

различных переплавов (электрошлаковый, вакуумно-дуговой и др.). Приме-

нение сталей такого типа повысит надежность и долговечность машин.

Состав цементуемых сталей будет подвергаться корректировке: в них

увеличиться содержание углерода, уменьшиться содержание марганца, хром,

никеля, они будут дополнительно

легированы молибденом и алюминием.

Для изготовления азотируемых деталей предлагается применять хромомо-

либденованадиевые и хромованадиевые стали.

Для нужд авиационной промышленности и техники высоких темпера-

тур будет увеличено производство жаростойких и жаропрочных сплавов на

основе никеля и кобальта, легированных танталом, титаном, хромом, рением,

цирконием. Наряду с перечисленными материалами в этих отраслях реко-

мендуется применять композиционные материалы на основе различных ме-

таллов. Высокими свойствами обладает алюминий, армированный волокна-

ми

бора, никелевые сплавы, упрочненные волокнами тугоплавких металлов.

Перспективно использовать в различных отраслях промышленности

дисперсно-упрочненные композиционные материалы, прочностные свойства

которых в 3 раза больше, чем монолитных сталей, а плотность значительно

меньше (в 3-4 раза). Дисперсионно твердеющие жаростойкие сплавы в зака-

ленном состоянии имеют высокую пластичность и хорошо обрабатываются

давлением, после старения они

имеют высокий комплекс механических

свойств, при этом обладают низким уровнем деформации короблением при

термообработке.

Перспективно применение изделий из порошковых материалов, обла-

дающих пониженной теплопроводностью и повышенной склонностью к на-

сыщению углеродом и азотом при химико-термической обработке. Высокое

качество этих изделий обеспечивается применением нагревательных уст-

ройств регламентирующих состав контролируемой атмосферы

и обеспечи-

вающих изоляцию от воздуха при перемещении изделия в охлаждающее уст-

ройство.

1.2 Перспективы развития технологий термической обработки

Расширение производства полуфабрикатов и изделий из металлических

материалов, подвергаемых термической обработке, позволит увеличить их

эксплуатационную надежность. Предварительная термическая обработка

(отжиги первого рода, нормализация, улучшение) будет проводиться в ос-

новном на

металлургических заводах. При этом наиболее широкое распро-

странение получит отжиг второго рода с ускоренным охлаждением в интер-

вале температур А

-А

. При нагреве под закалку инструменты из быстро-

режущей стали весьма перспективно применение защитных атмосфер для

термообработки с объемным нагревом. Все шире будут применяться различ-

ные методы термической обработки для стабилизации размеров изделий

(подшипники, инструмент, зубчатые колеса и др.). Для повышения эффекта

стабилизации размеров предусматривается использование магнитной и ульт-

развуковой обработок

Применение термомеханической обработки перспективно использовать

не только в металлургической промышленности при производстве проволо-

ки, лент, труб, арматуры и т.д., но и в машиностроении при изготовлении по-

ковок и штамповок. При этом значительный эффект ожидается получить от

применения защитных сред при нагреве под обработку давлением, а также

высокостойкого инструмента.

Перспективно применение кипящего слоя при нагреве и охлаждении

деталей. Это позволит в 2-3 раза увеличить скорость нагрева и осуществлять

охлаждение с различными скоростями, промежуточными между скоростями

охлаждения в воде и масле. Кипящий слой в будущем заменит соляные и

свинцовые ванны при патентировании проволоки, при нагреве деталей слож-

ной формы под закалку, при

химико-термической обработке стальных дета-

лей. В отношении химико-термической обработки перспективно применять в

качестве насыщающих сред газовые смеси вместо твердых сред, что ускоряет

процесс насыщения в 2-3 раза.

Существенные изменения намечаются в области применения закалоч-

ных сред. Будут использоваться масла с повышенной закаливающей способ-

ностью, не дающие пятен и пригаров

на поверхности деталей, легко смы-

вающиеся в водных растворах, со стабильными физико-химическими свойст-

вами при длительной эксплуатации. Получат распространение водные рас-

творы с закаливающей способностью, близкой к закаливающей способности

масла.

Особенно высокие темпы развития получит применение вакуума при

термической обработке. Он будет применяться при нагреве под закалку ин-

струментальных сталей

, при старении цветных сплавов (бериллиевая бронза,

сплавы титана, алюминия и др.), для дегазации тугоплавких металлов (заго-

товки из тантала, ниобия, титана, вольфрама), для нагрева и отжига высоко-

легированных нержавеющих и жаростойких сталей и сплавов, при пайке

цветных и тугоплавких металлов. Для термической обработки жаростойких

металлов применяют вакуумные печи с высокими

рабочей температурой

(2000-3000

С) и вакуумом (1,3×10

-5

-1,3×10

-7

Па).

Новое перспективное направление – это использование вакуумной тех-

ники при химико-термической обработке, а именно, ионно-плазменная и

ионная обработка. Применение этих методов резко ускоряет процессы диф-

фузии азота, что позволяет сократить время насыщения в 2-8 раз по сравне-

нию с обычным газовым азотированием. При применении ионной обработки

обеспечивается возможность регулирования

процессом азотирования, эконо-

миться насыщающий газ; недостатками этого метода являются высокая

стоимость установок и периодичность процесса. Перспективно применение

новых технологических процессов получение многокомпонентных диффузи-

онных слоев (газовое хромоалитирование, хромосилицирование, хромотита-

нирование и др.).

Широкое применение в промышленности найдет поверхностная тер-

мическая обработка со скоростным нагревом, сюда входят методы нагрева:

индукционный, газопламенный

, электронным и лазерным лучом, электриче-

ской дугой. Наиболее широко в промышленности используется индукцион-

ный нагрев с нагревом токами высокой частоты. Предполагается, что еже-

годное увеличение термической обработки с индукционным нагревом соста-

вит около 15%. При этом более широко будут применяться токи средней час-

тоты и в меньшей степени токи высокой частоты.

Следует отметить, что перспективно применять как для предваритель-

ной термической обработки, так и для окончательной термической обработки

различные виды термомеханической и комбинированной обработок. Сюда

входят высоко- и низкотемпературная термомеханическая обработки, термо-

ультразвуковая обработка.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные свойства материала деталей, определяющие

надежность и долговечность работы машин.

2. Укажите конструкторские и

технологические методы повышения

нагрузочной способности редукторов.

3. Термическая обработка – обязательное звено производственного

процесса изготовления машин, механизмов, инструментов. Обоснуйте это

утверждение.

4. Основной объем термообработки ложится на изделия из сталей.

Назовите причины такого явления. Укажите, все ли стали проходят термооб-

работку на металлургических предприятиях.

5. Перечислите перспективные направления выплавки сталей, влияю-

щие на

технологию термической обработки, приведите пример такого влия-

ния.

6. Перечислите перспективные технологии поверхностной термообра-

ботки изделий и обоснуйте наилучший с Вашей точки зрения метод.

7. Перечислите перспективные технологии химико-термической обра-

ботки и выберите из них наилучшую с Вашей точки зрения.

8. Перечислите перспективные технологии объемной термической об-

работки.

Лекция 2. Принципы разработки

технологических процессов тер-

мической обработки

План лекции

1. Основные этапы ТПП. Составление маршрутных технологий

2. Разработка технологии термической обработки

Разработка технологических процессов (ТП) термической обработки

является составной частью технологической подготовки производства (ТПП),

которая осуществляется на основе руководящих документов, объединенных в

единую систему технологической подготовки производства (ЕСТПП). Эта

система предусматривает организацию и управление процессом ТПП, широ-

кое применение прогрессивных типовых ТП, стандартной технологической

оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производст

венных процессов, инженерных и управленческих работ.

Основное назначение ЕСТПП:

1. Создание для всех предприятий и организаций системного подхода

к выбору и применению методов и средств ТПП, соответствующих достиже-

ниям современной науки и техники;

2. Обеспечение условий производства продукции, требуемой катего-

рии качества в минимальные сроки, при минимальных трудовых и матери-

альных затратах на всех стадиях создания нового изделия, включая опытные

образцы, а также изделия единичного производства;

3. Организация производства высокой степени гибкости, допускающей

возможность непрерывного его совершенствования и быстрого перехода или

переналадки на выпуск других изделий.

Цель ТПП – это обеспечение полной технологической готовности

предприятия (наличие комплекта технологической документации и средств

технического оснащения) к производству изделий высшей категории качест-

ва в

соответствии с заданными технико-экономическими показателями, уста-

навливающими высокий технический уровень и минимальные трудовые и

материальные затраты. ТПП начинается с получения исходных документов

на разработку и производство новых изделий, организацию нового и совер-

шенствование действующего производства.

ТПП включает решение следующих задач:

1. Отработка новых деталей, узлов и др. в целом на

их технологич-

ность;

2. Разработка технологических процессов;

3. Проектирование и изготовление средств технологической оснастки

для выполнения термической обработки;

4. Организация и управление процессом ТПП.

Решение задач ТПП должно осуществляться на различных уровнях:

общероссийском, отраслевом и предприятиях.

2.1 Основные этапы ТПП. Составление маршрутных технологий

Проектированию ТП термической обработки предшествует разработка

технологического маршрута, который осуществляется на основе рабочего

чертежа каждой детали. Рабочие чертежи полностью прорабатываются кон-

структором машины или механизма, и только он в праве изменить заданные

требования. Маршрутная технология – это перечень подразделений предпри-

ятия (цеха, участки, лаборатории), которые

участвуют в изготовлении данной

детали или изделия, перечень операций и их последовательность.

Первым этапом ТПП является разработка конструкторской документа-

ции (чертежи деталей, спецификации), количество деталей, ведомости изде-

лий, изготовленных из специальных материалов и по кооперации, ведомости

деталей требующих для изготовления специального оборудования (испыта-

тельные стенды). Второй этап ТПП включает согласование

действий различ-

ных подразделений, участвующих в изготовлении данного изделия, на пред-

мет его технологичности. Такое согласование проводится со службами пред-

приятия с участием главных специалистов (главный технолог, главный ме-

таллург, главный сварщик и др.).

На третьем этапе ТПП определяется соответствие марки материала с

заданными техническими требованиями на деталь, с ее геометрическими

размерами на предмет возможности образования деформации, коробления,

трещин и чистотой поверхности. Четвертым этапом является уточнение

маршрутной технологии предложенной на предварительном

этапе.

Место термической обработки в процессе изготовления отдельных за-

готовок и деталей устанавливается в уточненной маршрутной технологии и

предлагается отделом главного технолога. Операции термической обработки

стараются провести перед чистовой механической обработкой, если это воз-

можно. Если термообработка проводится после чистовой механической об-

работки, то при окончательной термической обработке необходимо учиты-

вать коробление и деформацию, которые не должны выводить изделия за

пределы допуска по размерам. В общем виде целью термической обработки

является ликвидация внутренних напряжений детали, улучшение обрабаты-

ваемости материала, повышение механических свойств изделий до значений,

требуемых от них, а также создание специальных свойств. В зависимости от

цели и видов термической обработки

она может быть предварительной и

окончательной, таким видам термообработки может подвергаться одна и та

же деталь.

2.2 Разработка технологии термической обработки

В соответствии с руководящими документами по ЕСТПП при разра-

ботке технологических процессов решаются следующие вопросы:

1. Анализ исходных данных (чертеж, программа выпуска изделий,

стандарты, справочники);

2. Выбор вида технологического

процесса: типового, группового, еди-

ничного;

3. Выбор исходной заготовки;

4. Разработка операций термической обработки, включая транспорти-

ровку и контроль качества изделий;

5. Соблюдение требований техники безопасности и экологии при вы-

полнении технологического процесса;

6. Расчет экономической эффективности разработанного процесса;

7. Оформление технологической документации (технологическая кар-

та).

Рассмотрим кратко, что включает

каждый из семи перечисленных

пунктов. При этом следует отметить, что пункты 5 и 6 освещаются и прора-

батываются соответственно в разделах курсов по технике безопасности, БЖД

и экономики, организации производства.

Исходные данные при проектировании термической обработки разде-

ляются на базовые, руководящие и справочные. Базовые данные – это ин-

формация, содержащаяся в чертежах деталей, спецификациях

, технических

условиях на изготовление и годовая производственная программа их выпус-

ка. Руководящие данные включают в себя информацию из стандартов всех

уровней на технологические процессы и методы управления ими, перечень

оборудования и оснастки, производственные инструкции, отраслевые руко-

водящие материалы, информацию из классификаторов. Справочные сведения

– это информация, взятая из книг, справочников, каталогов, периодической

литературы, данные по ранее разработанным типовым технологическим про-

цессам, а также методики расчета экономической эффективности, типовые

компоновки оборудования.

Выбор вида технологических процессов зависит от особенностей

технологического процесса, которые характеризуются возможностью одно-

временной обработки значительного числа как одноименных, так и разно-

именных деталей, удобством применения различных приспособлений для

термической обработки. Технологический процесс

(ТП) может быть: еди-

ничным, групповым, типовым. При единичном ТП обрабатывается одна или

несколько деталей; при групповом – количество деталей сравнительно неве-

лико; при типовом – ведется обработка различных деталей из разных мате-

риалов по одному ТП. Передовым производством считается такое, где наи-

более широко используются групповые и типовые технологические процес-

сы.

Под типизацией ТП понимается выполнение следующего комплекса

задач:

1. Классификация заготовок и деталей по конструкторско-

технологическому подобию. Данная операция выполняется на основании

классификаторов изделий;

2. Систематизация и анализ возможных технологических решений по

термической обработке изделий для получения заданных свойств;

3. Проектирование (разработка) оптимального для данного производ-

ства типового процесса термической обработки

При термической обработке параметрами конструкторского техноло-

гического подобия являются следующие параметры: вид термообработки

(предварительная или окончательная); операции термообработки; их назва-

ние; параметры: температура нагрева, скорости нагрева и охлаждения и др.;

марка материала; эффективное сечение изделия; его габаритные размеры.

При применении типовых или групповых ТП достигается снижение трудо-

емкости и сокращение

сроков ТПП.

Выбор исходной заготовки зависит от этапа проведения термической

обработки. Она может выполняться как предварительная, так и окончатель-

ная. При нагреве и охлаждении изделий всегда происходит изменение его

формы и размеров, поэтому предварительную термообработку (ПТО) жела-

тельно проводить только на заготовках или полуфабрикатах. К ним относятся

отливки, штамповки, поковки,

прокат, прессованные изделия, все они имеют

значительный допуск на размеры и, следовательно, при термообработке воз-

можно допустить значительные коробление и деформацию.

Окончательную термическую обработку (ОТО) проходят изделия или

после предварительной механической обработки или после чистовой мехоб-

работки, поэтому на эти изделия допуск на коробление и деформацию весьма

мал. Необходимо помнить, что при ОТО глубина прокаливаемости должна

быть больше, чем допуск на шлифование при чистовой обработке, чтобы не

снять весь упрочненный при термической

обработке слой. Следовательно,

выбор размеров исходной заготовки выполняется при согласовании с техно-

логическими службами других подразделений.

Разработка операций термической обработки включает в себя на-

звание этих операций и их параметры. Сюда входит установление темпера-

туры нагрева, времени нагрева, выдержки и охлаждения, среда нагрева и ох-

лаждения. Кроме основных операций термической

обработки предусматри-

ваются дополнительные – очистка от окалины или масла, правка деталей, их

транспортировка. На каждой операции необходимо предусмотреть контроль

качества изделий, оговорив приборы, методы контроля, количество прове-

ряемых деталей.

Оформление технологической документации выполняется в соот-

ветствии с требованиями единой системы технологической документации

(ЕСТД). Назначением ЕСТД является применение единых форм

бланков при

оформлении технологических процессов в пределах России; обеспечение

единых требований к заполнению этих бланков, когда вся информация вво-

дится в них с использованием служебных символов. В соответствии со стан-

дартами технологическая документация для оформления ТП термической

обработки включает документы на единичный и типовой ТП.

Документация для единичного ТП состоит из

следующих: титульный

лист; форма 1 – первый лист технологической карты; форма 1 б – ее после-

дующие листы. Для типового ТП перечень документов включает следующие:

форма 2 – первый лист технологической карты; форма 2 б – ее последующие

листы; ведомости деталей, обрабатываемых по типовому ТП; карты эскизов

этих деталей. В технологических картах дается вся информация по операци-

ям

термической обработки, контролю качества изделий и их транспортиров-

ке.

Контрольные вопросы

1. Организация и управление процессом технологической подготовки

производства выполняются в соответствии с ..., назначение которой ... .

2. Перечислите конструкторские документы, которые необходимы

технологу-термисту для разработки технологии.

3. Поясните, к какому типу исходных данных относятся: чертеж дета-

ли, годовая производственная программа и классификатор

заготовок.

4. Перечислите факторы, подтверждающие необходимость знания го-

довой производственной программы при разработке технологии термооб-

работки.

5. Укажите цель технологической подготовки производства.