Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов

Подождите немного. Документ загружается.

3. Охлаждение в интервале температур 750-550 °С после выхода из

последней клети стана горячей прокатки перед смоткой должно быть быст-

рым для получения цементита сферической формы.

4. Смотка в рулон ленты должна выполняться при 550-650 °С.

5. Холодная прокатка производится при суммарной величине обжа-

тия равной 50-60%.

6. Рекристаллизационный отжиг ведется в рулонах или

при размоте

ленты с протягиванием через печь при температурах ниже точки А

с1

(640-720

°С).

Рекристаллизационный отжиг выполняют в колпаковых печс в защит-

ной атмосферой. Нагрев рулонов ведется со скоростью 10-50 °С/ч. Конечная

температура нагрева для кипящих сталей назначается в пределах 680-700 °С,

для спокойных 700-720 °С. Время выдержки назначают из условия получе-

ния допустимого перепада температуры по сечению рулона. Скорость охла-

ждения рулона в интервале

температур 720-300 °С должна быть малой и рав-

ной ∼40 °С/мин. График режима отжига рулонов колпаковой печи приведен

на рис. 28.

Общая длительность отжига со-

ставляет около 80 ч. Для сокращения

времени отжига применяют распуше-

ние рулонов, что позволяет сократить

в 2-3 раза время обработки. Более

перспективно применение непрерыв-

ного отжига в потоке

стана холодной

прокатки, что обеспечивает высокую

производительность хорошее качество

поверхности и однородность свойств

т.к. обработка ведется в размоте.

Технология термической обработки толстолистовой стали вклю-

чает операции отжига-нормализации с высоким отпуском или без него и

улучшение. Нормализация применяется для повышения пластичности листов

толщиной не более 15 мм. Термическая обработка улучшением

(закалка +

высокий отпуск) используется для более толстых листов. Толстолистовая

сталь изготавливается из углеродистых сталей с содержанием 0,08-0,30% уг-

лерода или низколегированных: 09Г2, 15Г, 09ГСД, 15Г2СФД, 14ХГС,

10ХСНД, 15ХСНД и др., поставляется или с термообработкой, или без нее.

Наиболее перспективно применение термической обработки с исполь-

зованием тепла горячей прокатки по следующим

схемам (рис. 29):

Рис. 28. Типичный режим отжига руло-

нов из стали 10 в одностопной колпако-

вой печи: 1 – нагрев; 2 – охлаждение под

муфелем; 3 – охлаждение на воздухе

1. Нормализация с использо-

ванием тепла прокатного нагрева,

когда листы принудительно охлаж-

даются водой до 680-600 °С, а затем

на воздухе до 550 °С и нормализация

в печах;

2. Одинарная термообработка,

заключающаяся в ускоренном охла-

ждении листов водой до 700-650 °С

затем на воздухе, что обеспечивает

получение мелкозернистой структу-

ры с повышенной прочностью;

Двойная упрочняющая тер-

мическая обработка, состоящая из

ускоренного охлаждения водой до 600-300 °С с последующим отпуском при

620-680 °С в печах. Такая схема термообработки позволяет получить после

отпуска мелкие зерна феррита и равномерное распределение тонкодисперс-

ных карбидов. Полученная структура отвечает наиболее высокому уровню

характеристик прочности при хорошей их равномерности по площади листа

Контрольные вопросы

1. Как разделяют (условно) листовой прокат?

2. Как классифицируют листовой прокат по способности к вытяжке.

3. Перечислите марки сталей для изготовления тонколистового прока-

та.

4. Назовите виды термической обработки тонколистового проката.

5. Какая структура обеспечивает наилучшую штампуемость?

6. Перечислите марки сталей для изготовления толстолистового прока-

та.

7. Назовите виды термической обработки

толстолистового проката.

Лекция 18. Технология термической обработки проволоки и лен-

ты. Патентирование

План лекции

1. Технология термической обработки проволоки и ленты

2. Патентирование

Стальная проволока производится на метизных подразделениях метал-

лургических предприятий. Она может иметь круглый или фасонный профиль

(квадратный, прямоугольный, клиновидный, трапециевидный и др.) с сече-

нием до 16 мм

. В промышленности производятся свыше 7 000 типоразмеров.

Рис. 29. Способы термической обработки

листов из низкоуглеродистой стали (Ст3сп,

толщина листа 40 мм): 1 – нормализация с

прокатного нагрева; 2, 3 – одинарная и

двойная упрочняющие термические обра-

ботки; 4 – охлаждение на воздухе

По назначению различают пружинную, канатную, арматурную, подшипни-

ковую, вязальную, игольную проволоку.

В зависимости от диаметра проволоку подразделяют на:

1. Особо толстую диаметром 8-16 мм;

2. Толстую диаметром 6-8 мм;

3. Средней толщины диаметром 1,6-6,0 мм;

4. Тонкую диаметром 0,4-1,6 мм;

5. Тончайшую диаметром 0,1-0,4 мм;

6. Наитончайшую (микронную) диаметром меньше 0,1 мм.

Значительную часть проволоки выпускают с

защитными покрытиями: цин-

ком, оловом, кадмием, алюминием, хромом, пластмассами и лаками.

Преобладающую долю в общем объеме производства занимает прово-

лока обыкновенного качества из низкоуглеродистых сталей: меньшую - по-

вышенной и высокой прочности из средне- и высокоуглеродистых и легиро-

ванных сталей.

В нормативной документации на проволоку оговариваются следующие

свойства:

1. Механические (σ

, число перегибов, число скручиваний, способ-

ность выдерживать навивку вокруг стержня определенного диаметра без по-

ломок и растрескивания).

2. На разрыв с узлом (канатная диаметром до 0,8 мм).

3. По излому, микроструктуре, глубине обезуглероженного слоя, мак-

роструктуре (флокены, пористость, трещины и др.), подшипниковая прово-

лока.

4. Не допускаются поверхностные дефекты.

Маршрутная технологическая

схема изготовления проволоки: приго-

товление расплава; литье слитков; горячая деформация – получение катанки

диаметром 4,7-19 мм; термическая обработка катанки (ПТО) может отсутст-

вовать; подготовка поверхности к волочению; волочение; окончательная

термообработка (ОТО). Две последние операции могут повторяться несколь-

ко раз для того, чтобы получить требуемый размер проволоки.

ПТО катанки. Качество катанки должно обеспечить отсутствие

обры-

вов при волочении и однородность готовой проволоки по механическим

свойствам. В связи с чем, катанка контролируется на отсутствие неметалли-

ческие включений, усадочной рыхлости, раковин, пузырей, дефектов прокат-

ки (закаты, вмятины, волосовины). Микроструктура катанки должна пред-

ставлять собой сорбитообразный пластинчатый перлит.

Сорбитизированную структуру получают посредством двухстадийного

регулируемого охлаждения с прокатного

нагрева – технология Белорецкого

металлургического комбината (БМК). На первой стадии выполняют цикличе-

ское охлаждение водой до среднемассовой температуры 720-740 °С со сред-

ней скоростью 300-400 °С/с. При этом температура поверхности не опускает-

ся ниже температуры М

(рис. 30 ).

Скорость прокатки ∼50 м/с. На второй стадии – охлаждение на воздухе,

подаваемом вентилятором, до 300-400 °С и далее на спокойном воздухе. В

результате получается однородная структура пластинчатого (квазиэвтектоид)

перлита и с межпластиночным расстоянием 0,13-0,16 мкм и структурно сво-

бодным дисперсным ферритом.

Перед операцией волочения катанка

проходит подготовку аналогичную обработ-

ке сортового проката перед калибровкой.

После волочения проволока проходит ОТО.

Окончательная термообработка

проволоки включает рекристаллизацион-

ный отжиг, патентирование или закалку и

отпуск. В игольной проволоке

из стали У7А

– зернистый перлит образуется при уско-

ренном охлаждении до 500-550 °С с темпе-

ратуры конца горячей деформации.

Рекристаллизационный отжиг это ос-

новной вид термообработки для проволоки

из высокоуглеродистых сталей. Мотки про-

волоки отжигают в колпаковых или роликовых печах.

Параметры отжига определяются маркой стали и находятся по темпе-

ратуре

в пределах 670-700 °С, с выдержкой 3-6 ч для колпаковых печей (от-

жиг в мотках) или в проходных, где выдержка определяется диаметром про-

волоки. Для сокращения времени отжига возможно применение «кипящего

слоя», отжиг ведется в нитку, при этом время отжига сокращается в 9-10 раз.

Патентирование предусматривает обработку проволоки в нитку и

проводится в

непрерывно действующих установках (рис. 31). Перемотка

проволоки с фигурок (размоточных устройств) 1 через нагревательную печь

2 и ванну 3 на намоточные приводные барабаны 4.

Рис. 31. Схема установки для непрерывного патентирования проволоки

Нагрев ведется в протяжных трубчатых печах до температуры выше

точки А

с3

на 80-100 °С, что обеспечивает однородность аустенита и опти-

мальный для волочения размер зерна 2-3 балл. Данная операция применяется

для средне- и высокоуглеродистых сталей (0,35-0,94%) и некоторых легиро-

ванных в основном пружинных сталей 65Г, 70С2ХА, 50ХФА и др.

Для переохлаждения аустенита и изотермической выдержки чаще всего

используют электродные соляные ванны (65-75% NaNO

и 35-25% K NO

которые обеспечивают превращение переохлажденного аустенита в тонко-

Рис. 30. Изменение температуры

поверхности (t

) и сердцевины (t

)

катанки в процессе первой стадии

охлаждения при сорбитизации.

Скорость прокатки 50 м/с

пластинчатый перлит (сорбит) с толщиной пластин 10-40 нм и феррита с

размером зерна 60-200 нм. Мартенсит и избыточный феррит в структуре не

допускается. Такая структура позволяет проводить волочение с высокими

суммарными обжатиями 90-99%. После волочения проволока имеет высо-

кую прочность при сохранении повышенной пластичности и вязкости.

Режимы обработки определяются составом сталей и диаметром прово

локи. Химический состав стали зависит от требуемой прочности проволоки

и определяется по формуле:

= (100 ⋅С – d + 53) ⋅ 10, [МПа]

где σ

– предел прочности проволоки, МПа

С – содержание углерода в стали, %

d – диаметр проволоки, мм.

Температура аустенизации для проволоки диаметром менее 6 мм рас-

считывается по формуле:

t = 900 – 50 ⋅ C + 10 ⋅ d, [°С].

Эта температура обычно выше температуры закалки и отжига и приво-

дит к более полному растворению карбидов и высокой гомогенизации аусте-

нита.

Время выдержки при температуре аустенизации определяется по фор-

муле:

τ = 30 + 5 ⋅ d

, [мин] для проволоки d ≤5 мм,

τ= 30 + [(5 + d)/2 ] ⋅ d

, [мин] для d > 5 мм.

Температура изотермической выдержки также может быть определена

расчетным методом по формуле:

t = 490 + 60 ⋅ C − 15 ⋅ d , [°С].

На практике обычно температура изотермической выдержки поддер-

живается в интервале 420-540 °С. Минимально необходимое время пребыва-

ния проволоки в ванне изотермической выдержки для углеродистых сталей

составляет около 15 с. В

промышленных условиях эта выдержка определяет-

ся экспериментально в зависимости от марки стали и диаметра проволоки.

Для легированных сталей наиболее эффективно применение ступенчатого

патентирования: 950 °С, выдержка 10 мин, охлаждение в ванне до 320 °С, пе-

ренос в ванну с температурой около 600 °С, выдержка 5-7 с.

Процесс патентирования считается более прогрессивным, если вместо

соляных ванн используется

«кипящий» слой или электроконтактный нагрев

в нитку.

ОТО в виде закалки и отпуска применяется для высоколегированных

сталей. Это чаще всего стали аустенитного или ферритного класса. Закалка

выполняется с нагревом до температур 1 000-1 050 °С с охлаждением в воде.

С целью уменьшения окисления и обезуглероживания применяются высоко-

температурные соляные ванны (расплав солей BaCl

, KCl, NaCl). При выборе

режима термообработки необходимо учитывать химический состав стали и

диаметр проволоки (катанки). После закалки стали имеют структуру ста-

бильного аустенита или феррита, которые имеют высокую пластичность. По-

этому волочение проволоки из этих сталей проводится после закалки. От-

пуск проволоки ведется при температурах 450-620 °С после волочения. Такая

технологическая схема является разновидностью термомеханической обра-

ботки и позволяет получить на проволоке высокие уровни прочности при со-

хранении значительных величин вязкости и пластичности.

Контрольные вопросы

1. Как делиться проволока по назначению?

2. Как подразделяют проволоку зависимости от диаметра?

3. Из каких сталей изготавливают проволоку?

4. Перечислите защитные покрытия проволоки.

5. Перечислите требования предъявляемые к катанке.

6. Что включает окончательная термическая обработка проволоки?

РАЗДЕЛ 4. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МА-

ШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ЗАВОДАХ

Лекция 19. Технология термической обработки шестерен, зубча-

тых колес

План лекции

1. Шестерни, упрочняемые химико-термической обработкой (ХТО)

2. Технология азотирования шестерен

Шестерни (зубчатые колеса) широко используются в современной

технике. Только в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении об-

щее количество ежегодно изготавливаемых

шестерен составляет около 25

млн. штук. Основной объем производства составляют цилиндрические шес-

терни, основная масса которых применяется в коробках передач, трансмис-

сий автомобилей и тракторов, газораспределении двигателей внутреннего

сгорания, металлообрабатывающих станках.

При выборе материала для изготовления шестерен и выборе техноло-

гии термической обработки основным критерием является модуль шестерни.

Модуль – это отношение диаметра

делительной окружности к числу зубьев,

измеряется в мм. Шестерни изготавливают из поковок, реже отливок. Зубья

или нарезают механической обработкой, или изготавливают горячей накат-

кой. Для ответственных шестерен применяются различные методы тонкой

механической обработки: шлифование, хонингование, притирка, что позво-

ляет устранить деформацию шестерен после термической обработки и по-

вышению их долговечности

при работе.

Условия работы шестерен зависят от уровня контактных и изгибающих

нагрузок и их быстроходности. При эксплуатации шестерни испытывают:

Изгиб при резком торможении или заклинивании с наличием макси-

мального крутящего момента;

Изгиб в ножке зуба, что может привести к его усталостному разруше-

нию. Напряжения могут превышать 600 МПа;

Контактные напряжения на боковых

поверхностях зубьев, что приво-

дит к образованию контактно- усталостного выкрашивания. Эти напряжения

достигают величины до 2 300 МПа;

Износ боковых поверхностей (из-за попадания абразивных пыли и гря-

зи в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев. При недостаточной

смазке рабочих поверхностей может происходить «схватывание», образова-

ние задиров, приводящих к быстрому износу поверхности

зубьев.

Исходя из условий работы шестерен, в практике машиностроения при-

меняется несколько технологических схем их термической обработки. К этим

схемам относятся: термическая обработка шестерен, упрочняемых объемной

закалкой и отпуском; ХТО шестерен; поверхностное упрочнение при закалке

т.в.ч.

Шестерни, упрочняемые объемной закалкой и отпуском, предна-

значены в основном для работы при небольших статических и контактных

нагрузках с практическим отсутствием динамических ударов (подъемно-

транспортное оборудование, металлургические и горнодобывающие агрега-

ты, металлорежущие станки). Зубья шестерен упрочняются насквозь на твер-

дость ≤ НВ 300 (при высоком отпуске) или на твердость НRС

43-50 (при низ-

ком отпуске).

Шестерни, работающие при низких скоростях и малых нагрузках, изго-

тавливают из среднеуглеродистых или низколегированных конструкцион-

ных сталей марок 45, 50, 40Х, 40ХН,45Г2, 50Г2, 38ХГН и др. Технологиче-

ские параметры закалки определяются маркой стали, а режим отпуска тре-

буемыми свойства шестерен. Нагрев под объемную закалку и отпуск ведется

в универсальном термическом оборудовании (камерные, шахтные печи). Та-

кое оборудование рационально использовать в условиях единичного и мел-

косерийного производства.

Шестерни, упрочняемые химико-термической обработкой (ХТО),

изготавливаются, как правило, из низкоуглеродистых легированных сталей.

Методами ХТО упрочняются в основном тяжело нагруженные шестерни с

модулем 3-10 мм. Такие шестерни используются в коробках передач, транс-

миссиях

автомобилей и тракторов. Преимущество такой обработки возмож-

ность получения высокого предела выносливости при изгибе (до 1 000 МПа)

и контактных нагрузках (до 2 300 МПа), а также высокой износостойкости

поверхности при использовании недорогих малолегированных сталей. Такая

обработка позволяет получить высокую твердость, прочность поверхности

зубьев при сохранении их вязкой сердцевины. Для упрочнения шестерен

применяют цементацию,

нитроцементацию и азотирование.

Требования к упрочнению шестерен ХТО. Глубина диффузионного слоя

при ХТО зависит от модуля зуба и должна соответствовать следующим зна-

чениям:

Модуль, мм ………1,5-2,25 2,5-3,5 4,0-5,5 6,0-10,0 11,0-12,0 14,0-18,0

Глубина слоя, мм... 0,3±0,1 0,5±0,2 0,8±0,3 1,2±0,3 1,5±0,4 1,8±0,5

Для проведения качественной ХТО необходимо выполнить ряд усло-

вий, так как только в этом случае, возможно получить высокие значения ста-

тической

и динамической прочности, высокую износостойкость и контакт-

ную прочность:

1. Соблюдать указанное соотношение модуля зуба и глубины насы-

щенного слоя. Концентрация углерода в слое должна быть в пределах 0,8-

1,0%, что обеспечит максимальную усталостную прочность при сохранении

высокого сопротивления хрупкому разрушению. При содержании углерода

1,1-1,2% контактная выносливость растет, но значительно снижается предел

выносливости при изгибе;

2. Твердость поверхности зубьев должна соответствовать HRC 58-65,

иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита с изолированными участками

аустенита остаточного (не более 15-20%). Карбидная сетка и продукты диф-

фузионного распада аустенита в цементованном слое не допускаются;

3. Структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглероди-

стого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью HRC 30-45, присутствие

структурно свободного феррита не допустимо. Повышение твердости серд-

цевины выше HRC 45 сопровождается снижением усталостной прочности

зубьев.

Стали для шестерен, упрочняемых ХТО. Цементуемые и нитроцемен-

туемые стали должны иметь:

1. Достаточно высокую прокаливаемость и закаливаемость позволяю-

щие обеспечить требуемую твердость поверхности и сердцевины зубьев при

закалке в масле. Углеродистые стали для изготовления шестерен этой группы

не применяются, так как закаливаются в воде, что ведет к повышенной де-

формации и короблению;

2. Содержание углерода в стали в пределах 0,16-0,24%. Более перспек-

тивно применение стали с концентрацией углерода 0,30-0,32%, что позволяет

снизить глубину диффузионного слоя на 25-40%;

3. Хорошую обрабатываемость резанием, что важно в условиях массо-

вого и крупносерийного производства. Высокую технологичность при тер-

мической обработки после ХТО.

В зависимости от назначения и размеров шестерен для их изготовления

наиболее часто используются следующие стали:

1. Стали марок 15Х, 20Х, 18ХГ, 15ХФ, 20ХФ в

связи с их малой про-

каливаемостью применяются для мелких умеренно нагруженных шестерен,

работающих в основном на износ (шестерни силовых агрегатов автомобиля);

2. Стали марок 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ широко применяют для

ответственных тяжело нагруженных шестерен с высокой прочностью серд-

цевины зуба (обычно малого и среднего модуля и массой до 7-8 кг). Такие

шестерни работают, в частности, в коробках передач и трансмиссии грузовых

автомобилей и тракторов. Являясь наследственно мелкозернистыми, стали

допускают непосредственную закалку после подстуживания с цементацион-

ного нагрева;

3. Высоколегированные хромоникелевые стали марок 12ХНЗА,

20ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА и т.д. применяются для наиболее

высоко нагруженных

шестерен ответственного назначения и большого попе-

речного сечения. Кроме того, применение данных сталей обеспечивает по-

лучение высокой вязкости сердцевины, поэтому шестерни могут работать

под действием вибрационных и ударных нагрузок и при отрицательных тем-

пературах. Применение этих сталей может быть снижено за счет замены ста-

лями с пониженным содержанием никеля следующих

марок: 18ХГНР,

20ХНР, 25ХГНМ, 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТРА и др. Имея наследственную

мелкозернистость и высокую прокаливаемость, стали-заменители допускают

непосредственную закалку после цементации.

Технология цементации и нитроцементации. Цементацию применяют

в основном для тяжело нагруженных шестерен с глубиной диффузионного

слоя более 1 мм. Если глубина слоя ниже 1 мм, то, как правило

, использует-

ся нитроцементация. Преимущества нитроцементации по сравнению с газо-

100

вой цементацией следующие: более низкая температура насыщения 830-860

°С вместо 900-930 °С при цементации при практически той же длительности

процесса для получения одинаковой толщины слоя; повышение износостой-

кости, теплостойкости и коррозионной стойкости за счет образования карбо-

нитридов вместо карбидов; получение равнозначной прочности при мень-

шей толщине слоя; снижение критической скорости закалки за

счет насыще-

ния стали азотом и углеродом; меньшая деформация шестерен при после-

дующей термической обработке.

Время выдержки при температуре насыщения определяется заданной

чертежом детали глубиной диффузионного слоя и определяется по экспери-

ментально полученным данным или согласно справочников [ ]. Ориентиро-

вочно скорость насыщения составляет 0,10-0,12 мм /ч.

Охлаждение с температуры насыщения выполняется

на воздухе или в

футерованных колодцах, где для уменьшения окисления используется отра-

ботанная насыщающая среда. При применении цементации или нитроцемен-

таии с непосредственной закалкой рекомендуется использовать подстужива-

ние и выдержку для выравнивания температуры по сечению детали и охлаж-

дение со скоростью выше критической. Подстуживание до температуры за-

калки необходимо, т.

к. позволяет существенно снизить закалочные напряже-

ния и количество остаточного аустенита в поверхностном слое шестерни.

Применение непосредственной закалки с подстуживанием с температур на-

сыщения используется только для наследственно мелкозернистых сталей.

Для углеродистых и низколегированных сталей, склонных к росту зер-

на аустенита при высокотемпературных нагревах, охлаждение с температуры

насыщения ведется до комнатной

температуры или до 500-400 °С. Затем вы-

полняется отдельный нагрев под закалку до температуры оптимальной для

поверхностного насыщенного слоя, выдержка при этой температуре, охлаж-

дение со скоростью выше критической.

Для хромоникелевых сталей охлаждение с температуры ХТО прово-

дится до комнатной температуры или до 500-400 °С. Затем выполняется вы-

сокий отпуск при температуре 600-650 °

С, назначение которого максималь-

ное выделение карбидов из твердого раствора и снятие остаточных напряже-

ний. После высокого отпуска проводится одинарная или двойная закалка,

выбор параметров которых определяется свойствами закаленного слоя. При

одинарной закалке температура нагрева выбирается оптимальной для по-

верхностного слоя шестерни. Использование двойной закалки позволяет ис-

править грубую структуру шестерни

, полученную при высокой температуре

ХТО. Следовательно, температура нагрева под первую закалку выбирается

оптимальной для сердцевины детали, где содержание углерода равно его со-

держанию в стали. Температура нагрева под вторую закалку является опти-

мальной для поверхностного слоя детали, полученного после насыщения при

ХТО. Иногда вместо первой закалки проводится отжиг нормализация с

тех-

нологическими параметрами оптимальными для сердцевины шестерни.

Заключительной операцией технологического процесса термической

обработки шестерен, изготовленных из всех марок, и подвергшихся ХТО, яв-