Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов

Подождите немного. Документ загружается.

Технологическими параметрами обработки являются: сила тока равная

100-200 А, напряжение 35 В, скорость перемещения электрической дуги от-

носительно нагреваемой поверхности 0,005-0,18 м⁄с. Катодом являлись не-

плавящиеся вольфрамовый или графитовый электрод. Дл повышения ста-

бильности горения электрической дуги, уменьшения диаметра пятна нагрева

и защиты электрода и обрабатываемого участка от окисления нагрев прово-

дили

в среде инертного газа – аргона. Обрабатываемая поверхность нагрева-

ется полосами, ширина которых равна ~15 мм.

При использовании графитового электрода наблюдается науглерожи-

вание поверхности изделий, что подтверждено исследованиями, выполнен-

ными на стали 20. Установлено, что сталь 20 после нагрева с использованием

вольфрамового электрода имеет твердость поверхности 5,3-5,0 ГПа глубиной

около 0,2 мм, а применение графитового электрода

позволило повысить мик-

ротвердость поверхности до 6 ГПа, при этом глубина слоя составляла ~0,3

мм. Закалка с нагревом электрической дугой позволяет повысить износо-

стойкость стальных изделий в 2-6 раз, коррозионную стойкость в ~1,5 раза.

Контрольные вопросы

1. Укажите способ и параметры поверхностной термообработки, при

которой нагрев производится до оплавления поверхности.

2. Укажите способ и параметры

локальной поверхностной термообра-

ботки узких пазов сложной геометрической формы.

3. Перечислите основные технологические параметры ВТМПО при

обработке цилиндрических деталей.

4. Перечислите факторы, ограничивающие применение самоотпуска

при закалке с индукционного нагрева, и укажите причины ограничения.

5. Укажите возможные причины получения пониженной твердости по-

сле закалки с индукционного нагрева и самоотпуска.

6. Укажите достоинства

и недостатки лазерной обработки.

Лекция 11. Технология упрочнения поверхности изделий обра-

боткой давлением

План лекции

1. Технология упрочнения поверхности изделий обработкой давлением

2. Окисление и обезуглероживание стали при термической обработке

3. Среды для нагрева

Способами упрочнения поверхности обработкой давлением являются:

1. Высокотемпературная термомеханическая обработка поверхност-

ных слоев (ВТМОП);

2. ВТМОП + холодная

деформация обкаткой;

3. Холодная деформация + ВТМОП;

4. Холодная деформация + ВТМОП + холодная деформация;

5. Наклеп дробью.

Из пяти названных схем обработки на практике чаще всего применяет-

ся первая и пятая, которые и рассмотрим более подробно.

ВТМОП выполняется чаще всего после предварительной термической

обработки деталей, значительно повышает их сопротивление контактно-

усталостным нагрузкам, а также износостойкость. В результате ВТМОП в

наиболее напряженных поверхностных слоях детали создаются напряжения

сжатия, достигается оптимальное сочетание прочности и пластичности, воз-

никает благоприятное распределение остаточных напряжений. При ВТМОП

на поверхности детали образуется мартенсит, наследующий тонкое строение

деформированного субзеренного аустенита. Схема установки для ВТМОП

представлена на рис. 15.

Такую обработку проходят валки ста-

нов холодной прокатки из стали 9

Х, кото-

рые имеют следующие размеры: диаметр

10-38 мм длина ~1 200мм. Нагрев выполня-

ется токами высокой частоты от машинного

генератора до температуры ~960 °С, затем

деформация обкатными роликами и закалка.

Скорость перемещения валка в установке

составляет 180 м ⁄мин, частота вращения 320

об⁄мин. После такой обработки сопротивле-

ние валков контактно-усталостному выкра-

шиванию

повышается в среднем на 40%.

ВТМОП проходят пальцы звеньев гу-

сениц из стали 50, коленчатые валы, что

увеличивает их износостойкость на 35-40%.

Это связано с более высокими (1,5-2,0 раза)

сжимающими напряжениями на поверхно-

сти изделий по сравнению с закалкой после

нагрева т.в.ч. Пальцы элеваторных полотен

картофелеуборочных комбайнов, изготовленные из сталей 65Г или 60

С2,

также подвергаются ВТМОП. После такой обработки они имеют износостой-

кость в 1,3-1,5 раза выше, чем цементованные из стали 20. Эффект термоме-

ханического упрочнения в изделиях сохраняется до температур нагрева ~400

°С, при длительном воздействии до 200-250 °С.

Наклеп дробью является другим широко применяемым в промышлен-

ности методом поверхностного упрочнения. Этот способ, также как

ВТМОП, позволяет создать на поверхности обрабатываемых изделий напря-

жения сжатия. Чаще всего этим методом упрочняют поверхности рессор и

пружин, что повышает их долговечность в 2-3 раза за счет снижения напря-

жений растяжения в наружных волокнах.

При наклепе дробью необходимо поддерживать следующие технологи-

ческие параметры:

Рис. 15. Схема устройства для не-

прерывно-последовательной

ВТМОП: 1 - основание; 2 – рабо-

чий стол; 3 – нагреваемое изделие;

4 – индуктор; 5 – трансформатор; 6

– охлаждающее приспособление

(спрейер); 7 – деформирующий ро-

лик

1. Дробь стальная или чугунная диаметром 0,6-0,8 мм;

2. Скорость потока дроби 40-80 м⁄с;

3. Расход дроби 80-100 кг⁄мин;

4. Время обработки 1-2 мин.

Кроме того, оговаривается расстояние сопла дробемета до обрабаты-

ваемой детали, угол потока дроби к упрочняемой поверхности.

11.1 Окисление и обезуглероживание стали при термической об-

работке

При нагреве стальных

изделий в печах в результате контакта с рабочей

средой происходит обезуглероживание и окисление поверхности. В практике

термической обработки стальных деталей используются следующие рабочие

среды:

1. Обезуглероживающие, имеющие в составе кислород – О

, углекис-

лый газ – СО

, пары воды – Н

О, влажный водород – Н

;

2. Окисляющие, содержащие кислород – О

, углекислый газ – СО

, па-

ры воды – Н

О, сернистый ангидрит – SO

;

3. Восстанавливающие – водород – Н

, угарный газ – СО, метан – СН

;

4. Науглероживающие - угарный газ – СО, метан – СН

;

5. Нейтральные – аргон – Ar, гелий - He, осушенный азот - N

, вакуум.

Обезуглероживание стали – это процесс уменьшения содержания уг-

лерода в поверхностных слоях. Он приводит к изменению механических

свойств, склонности к образованию трещин, короблению, малой сопротив-

ляемости статическим нагрузкам и низкому пределу усталости. Обезулеро-

живанию способствуют кислород – О

, углекислый газ – СО

, пары воды –

О, влажный водород – Н

. В процессе обезуглероживания происходят сле-

дующие реакции:

C + H

O → 3 Fe + CO + H

C + CO

→ 3 Fe + 2 CO,

C + 2 H

→ 3 Fe + CH

2 Fe

C + O

→ 6 Fe + 2 CO.

Обычно обезуглероживание предшествует окислению.

Окисление стали происходит тем интенсивнее, чем выше температура

нагрева стальных изделий. Основными газами окислителями являются ки-

слород, углекислый газ, пары воды. Процесс окисления состоит в химиче-

ском взаимодействии металла с газами печи, причем кислород окисляет сталь

даже при весьма малом его содержании в рабочей камере

печи. При этом

происходят следующие реакции, все они идут с выделением тепла – Q:

2 Fe + O

→ 2 FeO + Q образуется окисел железа - вюстит;

3 Fe + 2 O

→ Fe

+ Q – магнетит,

4 Fe + 3 O

→ 2 Fe

+ Q – гематит.

Окислы магнетит и гематит образуются уже при 20 °С, а вюстит при

температуре более 570 °С.

При взаимодействии газов с металлами важно не абсолютное количе-

ство газов окислителей, а соотношение газов СО

⁄ СО и Н

О ⁄ Н

. Окисление

усиливается при появлении в окалине вюстита. При температурах выше 570

°С на поверхности стальных изделий будут происходить и следующие реак-

ции окисления железа:

Fe + CO

↔ FeO + CO (1)

Fe + H

O ↔ Fe O+ H

(2).

Константы равновесия реакций взаимодействия:

для первой реакции К

р1

= Р

СО2

⁄ Р

СО

, для второй - К

р2

= Р

Н2О

⁄ Р

Н2

где Р

СО2

, Р

СО

, Р

Н2О

, Р

Н2

– парциальное давление соответственно СО

СО, Н

О и Н

Парциальное давление i – того компонента газовой смеси может быть

вычислено по формуле:

= V

·P ⁄ 100 [ Па ] ,

где Р – внешнее давление рабочей среды в печи (агрегате), Па;

– объемное содержание i– того компонента в среде нагрева.

Кривые равновесия этих реак-

ций над поверхностью стали в зави-

симости от температуры приведены

на рис. 16, из которого следует, что в

атмосфере Н

О-Н

окисление активно

развивается при низких температу-

рах, то есть в момент охлаждения из-

делий, а в атмосфере С

О-СО – при

высоких. Результатом окисления ста-

ли является образование окалины на

поверхности изделий, а это невоз-

вратные потери их веса. Окислению

стали всегда предшествует обезугле-

роживание ее поверхности.

11.2 Выбор защитной атмосферы для нагрева стали

Для предохранения стали от отрицательного влияния печных газов в

рабочее пространство печей или агрегатов

вводят защитную или контроли-

руемую атмосферу (среду). Состав такой среды должен быть нейтральным по

отношению к поверхности стального изделия, то есть процессы обезуглеро-

живания и окисления практически будут отсутствовать. Физико-химическая

сущность процессов взаимодействия контролируемых атмосфер с металлами

определяется в основном термодинамическими и частично кинетическими

закономерностями.

При выборе состава защитной атмосферы

определяющим является соз-

дание таких условий взаимодействия газов, при которых термодинамически

возможен только процесс восстановления окислов. Задача, таким образом,

Рис. 16. Кривые равновесия реакции:

1 – Fe + CO

↔ FeO + CO;

2 – Fe + H

O ↔ Fe O+ H

сводится к определению равновесного состава контролируемых атмосфер в

зависимости от температуры нагрева и нахождению условий окисления и

восстановления окислов.

Решение указанной задачи выполняется путем определения термоди-

намической функции – свободной энтальпии образования окислов (энергии

Гиббса), константы равновесия - К

реакций взаимодействия и построения

кривых (диаграмм) их температурной зависимости (К

- Т).Система находит-

ся в равновесии, если энергия Гиббса равна нулю, а К

= 1 (lg К

= 0). В прак-

тике применения защитных атмосфер с металлами имеют значение в основ-

ном две газовые системы:

1. Первая - Н

– Н

О – Ме – МеО;

2. Вторая – СО – СО

– Ме – МеО.

Следовательно, основными реакциями взаимодействия защитных ат-

мосфер с металлами и сплавами являются те же процессы, что и при окисле-

нии стали, то есть реакции 1 и 2.

По диаграммам равновесия контролируемые атмосферы в зависимости

от температуры могут иметь положительный или отрицательный потенциал -

окислительный или восстановительный. Потенциал определяется величиной

разности между

логарифмом объемного ссодержания газа восстановителя и

логарифмом объемного содержания газа окислителя. Например, для атмо-

сферы водород – пары воды (реакция 2) потенциалом является разность lg

- lg P

H2O

Для выбора конкретного типа защитной среды при нагреве сталей до

заданной температуры определяют условия равновесия, то есть рассчитыва-

ется константа равновесия, как объемное содержание газов в атмосфере. Для

того чтобы атмосфера была защитной это отношение должно быть больше

или равно константе равновесия. Кроме того, чтобы среда была защитной,

необходимо иметь

ее углеродный потенциал (насыщающая способность по

углероду) соответствующий содержанию углерода в стали. Например, значе-

ние углеродного потенциала атмосферы при данной температуре составляет

0,6% С, то низкоуглеродистая сталь будет при этом науглероживаться, а вы-

сокоуглеродистая – обезуглероживаться в пределе до этого содержания угле-

рода. Для стали с содержанием углерода 0,6% С эта среда нагрева

будет яв-

ляться нейтральной.

Состав газовых сред в печах, как правило, отличается от состава пода-

ваемых в печь атмосфер. Это связано с влиянием кладки (насыщение кладки

воздухом при остановках печи), попадания воздуха из-за негерметичности ее

рабочего пространства, а также при загрузке и выгрузке деталей. Поэтому на

практике чаще всего применяют

экспериментальные данные по составу ат-

мосфер, которые привязаны к конкретным производственным процессам (тип

печи, марка стали, вид термообработки). Атмосферу при этом характеризуют

каким-то одним параметром, который однозначно определяет характер ее

воздействия на нагреваемую сталь. Таким параметром выбирается характе-

ристика, которую можно точно измерить и использовать в обратной связи в

системе автоматического регулирования, это, как правило, содержание паров

воды (температура точки росы) или двуокиси углерода. Концентрация этих

компонентов определяет состав атмосферы и по остальным активным газам,

а, следовательно, и сущность самого процесса взаимодействия среды со ста-

лью.

При выборе состава защитной или нейтральной среды нагрева кроме

состава необходимо учитывать температуру процесса. Атмосферы, содержа-

щие свыше 4% горючих компонентов (окиси углерода

, водорода) взрыво-

опасны, и их можно использовать только при температурах не ниже 760 °С.

При более низких температурах в печи может образоваться гремучая смесь и

достаточно искры, чтобы вызвать взрыв. Атмосферы с суммарным содержа-

нием горючих газов меньше 4% безопасны при любых температурах и коли-

чествах воздуха в смеси и поэтому их

можно применять и для низкотемпера-

турных видов термической обработки (отпуск стали).

Контрольные вопросы

1. Основной способ предупреждения окисления и обезуглероживания

деталей – применение защитных атмосфер. Укажите типы атмосфер, исполь-

зуемых при температурах 850, 550 и 250 ºС.

2. Приведите классификацию контролируемых атмосфер. Укажите, ка-

кими параметрами они характеризуются.

3. Контролируемые атмосферы. Укажите, в основе какого

процесса

лежит реакция водяного пара, напишите эту реакцию.

4. Защитные атмосферы. Перечислите исходные данные и последова-

тельность выбора атмосферы.

5. После закалки деталей с нагревом и выдержкой в защитной атмо-

сфере образовалась окалина. Укажите возможные причины этого явления и

меры предупреждения.

Лекция 12. Технология цементации и нитроцементации с после-

дующей термообработкой зубчатых колес. Ионная цементация. Техноло-

гия газового азотирования (червячные пары, инструмент, детали стан-

ко- и энергомашиностроения). Ионное азотирование

План лекции

1. Технология цементации и нитроцементации с последующей термооб-

работкой зубчатых колес

2. Ионная цементация

3. Технология газового азотирования (червячные пары, инструмент, де-

тали станко- и энергомашиностроения)

4. Ионное азотирование

На основании термодинамических закономерностей, экономических

соображений, условий безопасной работы в практике термической обработки

широко применяются следующие контролируемые и насыщающие атмосфе-

ры: эндотермические, экзотермические, аммиак диссоциированный, пары уг-

леводородных жидкостей. Кратко рассмотрим получение, состав и назначе-

ние этих атмосфер.

Эндотермическая атмосфера (эндогаз) получают при частичном сжи-

гании природного газа (метан – СН

) или жидких углеводородных смесей

при коэффициенте расхода воздуха α = 0,25-0,28. Процесс осуществляется в

генераторах с расходом тепла при температуре 1 050-1 100 °С с применением

специальных катализаторов. При этом предварительно природный газ очи-

щается от сернистого ангидрида, путем пропускания газа через вещества, по-

глощающие серу. Таким веществом является водный раствор моноэтанола-

мина. Получаемый состав

защитной среды можно регулировать в сравни-

тельно широких пределах: 18-25% СО, 37-46% Н

, менее 1-3% СН

и СО, 0,1-

2,3% Н

О, остальное N

. Температура точки росы может быть получена в

пределах от +20 до –20 °С. Атмосфера взрывоопасна при температурах менее

600 °С, поэтому ее применяют для нагрева под закалку и отжиг средне- и вы-

сокоуглеродистых, легированных сталей.

Экзотермическая атмосфера (экзогаз) изготавливается также как и

эндогаз при сжигании углеводородного сырья. При этом коэффициент расхо-

да

воздуха выше и равен α = 0,45-0,95. Ввиду более полного сжигания угле-

водородов экзогаз по сравнению с эндотермической атмосферой содержит

более высокие концентрации паров Н

О и СО

. Это определяет низкий угле-

родный потенциал экзогаза и делает его пригодным только при высокотем-

пературных нагревах малоуглеродистых сталей или для низкотемпературно-

го нагрева ниже 700 °С любых сталей.

Для повышения углеродного потенциала экзотермическую атмосферу

очищают от паров воды. Осушка выполняется путем пропускания защитной

среды через холодильник охлаждаемый водой при этом содержание

влаги в

атмосфере составляет 2,3%, температура точки росы +20 °С. При пропуска-

нии среды через холодильную установку путем дополнительной конденсации

влаги ее содержание снижается до 0,7% , а точка росы равна +2 °С. Если ат-

мосферу осушивать путем пропускания через селикогель или алюмогель, то

содержание Н

О составит 0,01%. Точка росы после такой осушки равна ми-

нус 40 °С. Состав экзогаза можно варьировать путем регулирования коэффи-

циента расхода воздуха в пределах: 0,2-12% СО, 0,1-12% СО

, 1,5-20% Н

менее 1,5% СН

, остальное N

Эндо- и экзотермические атмосферы, содержащие в своем составе СО

и СО

, нельзя применять для нагрева сталей с высоким содержанием хрома

марганца, титана из-за внутреннего окисления легирующих элементов. Обез-

углероживающее действие водорода можно нейтрализовать, вводя в газ ме-

тан-СН

. Для низкоуглеродистой стали с содержанием углерода менее 0,2%

при температуре 900 °С и 99,5% водорода в атмосферу достаточно ввести

только 0,5% СН

. При наличии влаги концентрация метана должна быть рез-

ко увеличена. Так, если в газе содержится 0,6% паров воды, то для сталей с

0,2 и 0,3% С концентрацию метана надо повысить соответственно до 2,5 и 8,5

%. Поэтому основным путем снижения обезуглероживания является умень-

шение влаги в защитной атмосфере.

Насыщающие газовые среды для химико-термической обработки полу-

чают чаще всего на основе эндогаза. Так для цементации в эндотермическую

атмосферу добавляется 10-15 % СН

; для нитроцементации в эндогаз вводит-

ся ~5% СН

и 5-20% NH

. Более высокое содержание метана в газовой смеси

вызывает образование сажи на насыщаемых изделиях, что снижает качество

и активность насыщения.

Контролируемые атмосферы из аммиака – NH

изготавливают путем

его диссоциации на азот и водород при температуре 600-700 °С в присутст-

вии катализаторов. Смесь содержит до 75 % Н

. Снижение взрывоопасности

достигается дожиганием водорода в смеси с воздухом при 900-1 000 °С. За-

тем выполняется осушка и очистка от кислорода. Такая атмосфера применя-

ется для безокислительного нагрева высокохромистых сталей и отжига

стальной ленты при температурах 620-1 000 °С. Кроме того диссоциирован-

ный аммиак при степени диссоциации 20-40 % применяется как насыщаю-

щая среда при азотированннии

при этом к такой атмосфере для регулирова-

ния азотного потенциала среды добавляется азот или аргон. На практике

применяются такие составы: 20% NH

+ 80% N

или 94-99% NH

+ 6-1% O

Многие защитные и насыщающие газовые среды для своего приготов-

ления требуют применения специальных установок, которые часто являются

взрывоопасными, поэтому их применение экономически оправдано в массо-

вом и крупносерийном производстве. В единичном и мелкосерийном произ-

водстве в качестве насыщающей среды при химико-термической обработке

применяется цементация в твердом карбюризаторе или с

использованием

жидких углеводородов. В качестве углеводородного сырья нашли примене-

ние: бензол, пиробензол, керосин, синтин, которые подаются в нагретую печь

с помощью капельниц. Количеством подаваемых в печь капель регулируется

углеродный потенциал насыщающей среды. Следует отметить, что мини-

мальное количество сажи на изделиях образуется при использовании синти-

на, максимальное с применением бензола. При

проведении нитроцементации

в качестве насыщающей среды используется триэтаноламин, подаваемый в

печь также каплями.

При работе с защитными и насыщающими атмосферами необходимо

соблюдение следующих основных правил техники безопасности:

1. Обеспечение герметичности рабочего пространства печей и агрега-

тов;

2. Строгое выполнение правил подачи и удаления атмосферы из рабо-

чего пространства, следует помнить,

что наиболее опасны моменты пуска и

удаления атмосферы, а также аварийные ситуации;

3. Организация вентиляции и местных отсосов при повышенной зага-

зованности;

4. Использование контрольно-сигнализационной аппаратуры и предо-

хранительных устройств;

5. Обучение персонала и проверка знаний по выполнению правил и

инструкций по работе оборудования и требований техники безопасности при

работе с взрывоопасными и токсичными атмосферами.

Контрольные вопросы

1. Перечислите насыщающие атмосферы для ХТО, их состав

2. Контролируемые атмосферы.

3. Укажите исходные данные и последовательность выбора защитной

атмосферы.

4. Эндотермическая, экзотермическая атмосферы, получение

и назна-

чение этих атмосфер.

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Основной продукцией металлургических предприятий являются слит-

ки, сортовой и листовой прокат, трубы, проволока. Рассмотрим маршрутные

технологии получения наиболее сложных и металлоемких заготовок, место,

способы их термической обработки. В первую очередь к таким изделиям от-

носятся железнодорожные рельсы.

Лекция 13. Технология предварительной термической обработки

железнодорожных

рельсов

План лекции

1. Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к сталям для

производства рельсов

2. Рельсовые стали

Маршрутная технология получения железнодорожных рельсов вклю-

чает следующие операции: приготовление рельсовой стали и литье слитков

нагрев их в колодцах до 1 200-1 295 °С, прокатка на блюминге. Блюмы на-

гревают в печах до температуры 1 200-1 250 °С

для прокатки на рельсоба-

лочном стане. Слитки, полученные методом непрерывного литья, без обжа-

тий на блюминге прокатываются в рельсы. Температура конца прокатки

рельсов должна быть не выше 1 050 °С, раскат разрезается в меру 25. м на

пилах горячей резки.

Затем рельсы проходят противофлокеновую термическую обработку,

холодную правку в роликоправильной машине и штемпельных прессах

, ме-

ханическую обработку. Механическая обработка включает фрезерование

торцов рельсов, сверление болтовых отверстий для скрепления их накладка-

ми при монтаже рельсового пути. После приемки рельсы первого сорта под-

вергают термической обработке по всей длине по различным технологиче-

ским схемам. Следует отметить, что на заводах России и Украины преду-

смотрено термическое упрочнение

концов рельсов.

13.1 Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к сталям

для производства рельсов

Рельсы являются основным элементом строения железнодорожного

пути, который в России составляет ~10% от мировой протяженности желез-

ных дорог. По этому пути перевозится до ~40% от мирового грузооборота по

железной дороге. Следовательно, Российские железные дороги отличаются

высокой интенсивностью движения поездов, как пассажирских, так

и боль-

шегрузных товарных. Грузонапряженность на отечественных железных до-

рогах в 5 раз выше, чем на дорогах США, и в 8-12 раз больше, чем на дорогах