Технология отрасли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология отросли

Отжиг и нормализация

Отжиг -- процесс термической обработки, при котором нагревом до или выше температуры в интервале превращений, продолжительной выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением с заданной скоростью достигается устойчивая (равновесная) структура стали с повышенной пластичностью, вязкостью и без внутренних напряжений. На практике применяются различные виды отжига. Отжиг рекристаллизационный (отжиг 1-го рода) применяется для изделий при холодном их деформировании -- при производстве холоднокатаной стальной ленты и деталей глубокой вытяжки с целью восстановления мелкозернистой, равновесной, мягкой и вязкой структуры наклепанного металла. Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 650--700°С (ниже критической точки Ая), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Полный отжиг (отжиг 2-го рода, или фазовой перекристаллизации) осуществляется путем нагрева стальных деталей ("изделий) до температуры на 30--50°С выше критической точки выдержки при этой температуре до полного превращения структуры в аустенит и последующего медленного охлаждения до температуры 500--600°С. Скорость охлаждения для углеродистых сталей должна быть 50--100°С, для легированных -- 20--60°С в час. Полный отжиг является нормальным для доэвтектоидных сталей (содержащих до 0,8% углерода), а для заэвтектоидных сталей он неприменим, ибо делает их хрупкими. Неполный отжиг производится нагревом стали выше критической точки Aci, но ниже точки (в интервале между линиями GSE и PSK, см. рис. 1) и последующим медленным охлаждением. Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали или сортового проката и поковок из доэвтектоидной стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабаты-ваемости резанием. Отжиг изотермический осуществляется путем нагрева до нормальной . температуры отжига, медленного охлаждения до температуры немного ниже критической точки Аг (700--680°С), выдержки при этой температуре до полного превращения аустенита и последующего охлаждения на воздухе. Такой отжиг по результатам изменения физико-механических свойств аналогичен полному отжигу, но продолжительность операции резко сокращена. Он применяется исключительно для легированных сталей. Отжиг на зернистый перлит (сфероидизирующий) осуществляется путем нагрева" с периодическим изменением температуры около (выше или ниже) точки Ad, после охлаждения ниже точки Аг (700--680°С) дается длительная выдержка, при которой происходит коагуляция цементита с образованием зернистого перлита, что снижает твердость и повышает пластичность и вязкость стали. Сфероидизация применяется главным образом с целью улучшения обрабатываемости инструментальных и подшипниковых сталей. Отжиг светлый (нормализация светлая) производится по любому из указанных выше тепловых режимов, но с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом.. Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, прутков, проволоки, деталей холодной штамповки, а также ;1ля защиты поверхности деталей от окисления и обезуглероживания. Нормализация -- разновидность полного отжига, но отличается от последнего тем, что охлаждение изделий после выдержки производится на спокойном воздухе. Осуществляется она путем нагревания стали выше критической точки на 30--50°С, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на спокойном воздухе (скорость охлаждения 150--250°С в час). Нормализация применяется для получения мелкозернистой однородной структуры металла с малым и средним содержанием углерода, устранения наклепа, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием и подготовки детали для цементации.

Определение усилия штамповки в открытых штампах

При объемной штамповке, в отличие от ковки, поковку требуемой формы и размеров изготовляют с помощью специальных инструментов - штампов. При объемной штамповке деформируется весь объем металла и его истечение ограничивается полостью штампа. Штамп состоит обычно из двух разъемных частей, которые в собранном виде создают одну или несколько внутренних полостей, называемых ручьями, когда штамп разомкнут. Затем под действием рабочих органов машины (молот или пресс) штамп смыкается. При этом металл заготовки, деформируясь, заполняет ручей, вследствие чего заготовка принимает требуемую форму, а затем ее извлекают из ручья при размыкании штампа.

Применяют горячую и холодную (для пластичных металлов) объемную штамповку. Горячая объемная штамповка находит более широкое применение на машиностроительных заводах, так как при повышенных температурах, вполне определенных для каждого металла, сопротивление деформации резко (в 10-15 раз) уменьшается, пластичность повышается и можно применить рабочие машины с меньшей мощностью.

Объемная штамповка имеет ряд преимуществ по сравнению со свободной ковкой: достигается более высокая точность размеров поковки при лучшем состоянии поверхности, уменьшаются потери металла, повышается производительность труда. Методом объемной штамповки можно получить поковки различной конфигурации из стали, цветных металлов и сплавов и их других материалов. Масса получаемых штамповкой поковок от нескольких грамм до 3 тонн.

Допуски на штампованную поковку в 3-4 раза меньше, чем на кованную, поэтому значительно сокращается объем последующей механической обработки. Штамповать поковки удается до нескольких сотен штук в час.

Штамп - инструмент дорогостоящий и является пригодным только для изготовления одной какой-либо поковки. Поэтому штамповка экономически целесообразна только при изготовлении большой партии поковок, то есть в серийном и массовом производстве.

Объемную горячую штамповку осуществляют двумя способами - в открытых и закрытых штампах. В первом случае поковку получают с облоем (заусенец по месту разъема штампа). При штамповке с облоем объем заготовки на 20-25% превышает объем полости штампа. Во втором случае объем заготовки должен быть равен полости штампа (безоблойная штамповкка).

Открытый штамп состоит: 1 - верхняя часть штампа, 2 - полость штампа, 3 - мостик оболойной (заусенечной) канавки, 4 - магазин заусенечной канавки, 5 - нижняя часть штампа.

Закрытый штамп состоит из 1 - матрица, 2 - пуансон, 3 - выталкиватель.

При расчетах и конструировании штампов учитывают величины припусков, допусков, штамповочных уклонов, радиусов переходов и закруглений, размеры ребер и бобышек, толщину пленок под прошивку. Все эти величины выбираются по нормалям и стандартам.

Особенность открытой (облойной) штамповки заключается в том, что в процессе деформации заготовки металл течет не только в полость штампа, но и в разъем штампа, образуя заусенец, который в дальнейшем обрезается. Процесс открытой объемной штамповки можно мысленно разбить на 3 характерных периода.

Первый период аналогичен процессу свободной осадки. Он заканчивается в тот момент, когда боковая поверхность заготовки соприкасается по периметру со стенками полости штампа и некоторая часть металла вытекает в заусенец. В конце второго периода вся полость штампа заполнена металлом, но штампы не сомкнулись и высота поковки выше заданной. Третий период штамповки характеризуется вытеснением излишков металла в заусенец, он заканчивается смыканием штампов.

Заусенец в процессе штамповки играет положительную роль, так как он замыкает штамп по поверхности разъема и создает сопротивление истечению металла, обеспечивающее заполнение полости штампа. Сопротивление истечению металла в заусенец зависит от формы и размеров заусенечной канавки.

Усилие штамповки (P), необходимое для осуществления деформации, в конечный момент штамповки можно представить как сумму двух слагаемых

P = P3 + PТ где P3

усилие, необходимое для деформации металла в заусенце;

PТ - усилие, необходимое для деформации металла в штампе.

Отпуск -- нагрев закаленной стали до температуры ниже Асу, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Проводится с целью устранения внутренних напряжений и повышения пластичности.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в закаленной на мартенсит стали.

Мартенсит, имеющий после закалки тетрагональную кристаллическую решетку, при нагреве выше 80° С начинает превращаться в кубический. Как всякий пересыщенный раствор, мартенсит неустойчив. Он распадается при комнатной температуре, но скорость распада чрезвычайно мала из-за незначительной тепловой подвижности атомов. При температуре выше 80° С подвижность атомов уже достаточна для того, чтобы углерод частично перешел из пересыщенного раствора в пластинки карбида толщиной всего в несколько атомных слоев за относительно небольшой промежуток времени. Это превращение происходит в интервале 80--170° С. При нем происходит уменьшение искажения кристаллической ре-щетки мартенсита. Внутренние напряжения снижаются, уменьшается удельный объем мартенсита, размеры детали немного сокращаются. Твердость и прочность остаются почти неизменными, а пластические свойс^а несколько повышаются.

Отпуск в интервале 150--200° С называется низким отпуском. Низкому отпуску подвергают режущий инструмент и детали, ра-ботающи&-ла_,износ, от которых требуется высокая твердость. В результате низкого отпуска получается отпущенный кубический мартенсит.

При нагреве закаленной стали от 200 до 300° С остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит: это сопровождается некоторым увеличением размеров детали. К концу этого температурного интервала а-твердый раствор еще несколько пересыщен углеродом, внутренние напряжения практически устранены. Нагрев выше 300° С вызывает дальнейшее выделение углерода из мартенсита, происходит обособление карбидов с образованием очень мелких округлых включений цементита. При температурах выше 400° С карбиды укрупняются.

Отпуск стали -- диффузионный процесс. Превращение однородного мартенсита в карбидо-ферритную смесь с резким различием химического состава происходит в течение определенного времени. Нагреть сталь до заданной температуры отпуска недостаточно. Необходимо еще выдержать ее при этой температуре для завершения диффузионных процессов. Время выдержки при от-пуске обычно колеблется от 30 мин до нескольких часов в зависимости от состава стали и размеров детали.

При распаде мартенсита получаются структуры троостита, сорбита и перлита. Они отличаются от тех же структур, получающихся в процессе распада аустенита, размером частиц и механическими свойствами. Форма цементитных включений, образующихся при распаде мартенсита, округлая, тогда как при распаде аустенита получаются пластинки цементита. Различная форма включений цементита обусловливает разные свойства. При одной и той же прочности сталь после отпуска получается более пластичной.

85 показано, как изменяются механические свойства стали 45, закаленной с 840° С в масле, в процессе последующего °тпуска. С повышением температуры отпуска твердость, предел прочности и предел текучести монотонно снижаются, а относительное удлинение и ударная вязкость повышаются. Изменяя температуру отпуска, можно получать различные сочетания ме-1 ханических свойств.

Отпуск в интервале 350--500° С называется средним отпуском -Он обеспечивает высокие предел упругости, предел прочности' предел усталости и ударную вязкость. После среднего отпуска получается структура троостита отпуска. сталь отжиг нагрев штамповка

Среднему отпуску подвергают, например, пружины подвесок трубопроводов, рессоры.

Высокому отпуску -- многие детали машин и элементы теплосилового оборудования. В частности, закалке в масле с последующим высоким отпуском подвергают толстостенные паропроводные трубы из некоторых легированных сталей. Углеродистую закаленную сталь при высоком отпуске нагревают до 500--650 С. При jj этом получают структуру троостита или сорбита отпуска.

Основное назначение высокого отпуска -- получение высоких jj пластических свойств и ударной вязкости при остаточной прочЯ ности и твердости стали. Комплекс механических свойств у сталД после закалки с высоким отпуском получается выше, чем после | нормализации или отжига. Двойная термическая обработкам состоящая из закалки и среднего или высокого отпуска, пазы- I вается улучшением. Такая термическая обработка иногда необ- | ходима для шпилек и шпинделей теплосиловой арматуры.

Свойства углеродистой стали после закалки и отпуска опре- I деляются температурой и продолжительностью нагрева при о«И пуске. Они не зависят от скорости охлаждения после отпускал

Старение металла -- выделение мелкодисперсных частиц вто*| ричных фаз в сплавах с ограниченной растворимостью. Избыточные компоненты выделяются в виде хопчайших субмикроскспических включений по телу или границам зерен. Эти процессы вызывают повышение твердости и прочности, так как выделения вторичных фаз затрудняют перемещение дислокаций. В большинстве случаев старение сопровождается резким снижением пластичности и ударной вязкости. Для котельных сталей это совершенно недопустимо.

Отпуск и старение

Котельный стальной лист и труба из малоуглеродистой стали проявляют склонность к старению в наклепанном состоянии (после вальцовки, гибки или других операций холодной пластической деформации). При вылеживании при комнатной температуре повышается твердость и прочность, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Этот процесс длится многие месяцы и называется естественным старением. Нагрев наклепанного металла до 250--300° С резко ускоряет процесс. Ударная вязкость при этом может снизиться до величины, составляющей 5--10% от исходной. Особенно подвержены старению стали, деформированные на 3--10%.

Охрупчивание металла может привести к авариям, особенно в тех случаях, когда деталь воспринимает ударные нагрузки. Старение -- одна из причин образования кольцевых трещин в трубах из малоуглеродистой стали в местах развальцовки.

Причина старения -- образование при быстром охлаждении пересыщенного раствора углерода и азота в феррите. При температуре 727° С в феррите растворяется 0,025% С, а при комнатной-- всего 0,006%). Пластическая деформация делает пересыщенный раствор еще менее стабильным. В результате его распада образуются весьма мелкодисперсные карбиды и нитриды железа. Нагрев при 250--300° С ускоряет процесс старения, так .как диффузионная подвижность при этом повышается. При более высоких температурах одновременно с выпадением частиц происходит их укрупнение. Крупных частиц получается меньше, так как объем каждой из них существенно больше. Они относительно слабо влияют на свойства стали, и старение не наблюдается.

Наиболее склонны к старению малоуглеродистые стали, особенно кипящие (раскисленные только марганцем). Полуспокойная и спокойная стали менее чувствительны к старению. Особенно эффективно действует раскисление алюминием. Аналогично влияют молибден и ванадий. С повышением содержания углерода склонность стали к старению снижается.

Литература

1. «Справочник машиностроителя» Том 5. Книга 1.Редактор Э.А. Статели

2. «Справочник металлиста» Том2. Редактор Н.С.Ачерхан

3. «Справочник техника машиностроителя»Редактор В.В.Домилевский

Размещено на Allbest.ru