Термическая обработка на металлургических и машиностроительных заводах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция № 11. Термическая обработка на металлургических и машиностроительных заводах

1. Общие сведения

2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов на металлургических заводах

3. Термическая обработка на машиностроительных заводах

1) Общие сведения

термическая обработка сплав печь

Человек использует Термическую обработку металлов с древнейших времён. Ещё в эпоху энеолита, применяя холодную ковку самородных золота и меди, первобытный человек столкнулся с явлением наклёпа, которое затрудняло изготовление изделий с тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановления пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь в очаге. Наиболее ранние свидетельства о применении смягчающего отжига наклёпанного металла относятся к концу 5-го тысячелетия до н. э. Такой отжиг по времени появления был первой операцией Термическая обработка металлов. При изготовлении оружия и орудий труда из железа, полученного с использованием сыродутного процесса, кузнец нагревал железную заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне. При этом железо науглероживалось, то есть происходила цементация -- одна из разновидностей химико-термической обработки. Охлаждая кованое изделие из науглероженного железа в воде, кузнец обнаружил резкое повышение его твёрдости и улучшение др. свойств. Закалка в воде науглероженного железа применялась с конца 2 -- начала 1-го тысячелетия до н. э. В «Одиссее» Гомера (8--7 вв. до н. э.) есть такие строки: «Как погружает кузнец раскалённый топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо -- крепче железо бывает, в огне и воде закаляясь». В 5 в. до н. э. этруски закаливали в воде зеркала из высокооловянной бронзы (скорее всего для улучшения блеска при полировке). Цементацию железа в древесном угле или органическом веществе, закалку и отпуск стали широко применяли в средние века в производстве ножей, мечей, напильников и др. инструментов. Не зная сущности внутренних превращений в металле, средневековые мастера часто приписывали получение высоких свойств при Термическая обработка металлов проявлению сверхъестественных сил. До середины 19 в. знания человека о Термическая обработка металлов представляли собой совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Потребности развития техники, и в первую очередь развития сталепушечного производства. обусловили превращение Термическая обработка металлов из искусства в науку. В середине 19 в., когда армия стремилась заменить бронзовые и чугунные пушки более мощными стальными, чрезвычайно острой была проблема изготовления орудийных стволов высокой и гарантированной прочности. Несмотря на то что металлурги знали рецепты выплавки и литья стали, орудийные стволы очень часто разрывались без видимых причин. Д. К. Чернов на Обуховском сталелитейном заводе в Петербурге, изучая под микроскопом протравленные шлифы, приготовленные из дул орудий, и наблюдая под лупой строение изломов в месте разрыва, сделал вывод, что сталь тем прочнее, чем мельче её структура. В 1868 Чернов открыл внутренние структурные превращения в охлаждающейся стали, происходящие при определённых температурах. которые он назвал критическими точками а и b. Если сталь нагревать до температур ниже точки а, то её невозможно закалить, а для получения мелкозернистой структуры сталь следует нагревать до температур выше точки b. Открытие Черновым критических точек структурных превращений в стали позволило научно обоснованно выбирать режим Термическая обработка для получения необходимых свойств стальных изделий.

Термическая обработка - процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка - самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу и сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей. Теорию термической обработки составляет учение об изменениях строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воздействии, не исчезающих после его прекращения.

Динамичное развитие и прогресс многих отраслей промышленности (особенно таких наукоемких, как ракетно-космическая, атомная энергетика и др.) напрямую связаны с созданием новых материалов, сочетающих в себе высокие технико-эксплуатационные свойства с хорошей технологичностью их изготовления и низкой себестоимостью производства.

2) Термическая обработка железоуглеродистых сплавов на металлургических заводах

Зернистая структура металлов. Всякий металл обычно состоит из множества соприкасающихся друг с другом кристаллов (называемых зернами), как правило, имеющих микроскопические размеры, но иногда и видимых простым глазом. Внутри каждого зерна атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную геометрическую решетку. Тип решетки, называемый кристаллической структурой, является характеристикой материала и может быть определен методами рентгеноструктурного анализа. Правильное расположение атомов сохраняется в пределах всего зерна, если не считать небольших нарушений, таких, как отдельные узлы решетки, случайно оказавшиеся вакантными. Все зерна имеют одинаковую кристаллическую структуру, но, как правило, по-разному ориентированы в пространстве. Поэтому на границе двух зерен атомы всегда менее упорядочены, чем внутри них. Этим объясняется, в частности, то, что границы зерен легче поддаются травлению химическими реагентами. На полированной плоской поверхности металла, обработанной подходящим травителем, обычно выявляется четкая картина границ зерен. Физические свойства материала определяются свойствами отдельных зерен, их воздействием друг на друга и свойствами границ зерен. Свойства металлического материала существенным образом зависят от размеров, формы и ориентации зерен, и цель термической обработки состоит в том, чтобы управлять этими факторами.

Атомные процессы при термической обработке. При повышении температуры твердого кристаллического материала его атомам становится все легче переходить из одного узла кристаллической решетки в другой. Именно на этой диффузии атомов и основана термическая обработка. Наиболее эффективный механизм движения атомов в кристаллической решетке можно представить себе как движение вакантных узлов решетки, которые всегда имеются в любом кристалле. При повышенных температурах благодаря увеличению скорости диффузии ускоряется процесс перехода неравновесной структуры вещества в равновесную. Температура, при которой заметно повышается скорость диффузии, неодинакова для разных металлов. Она обычно выше для металлов с высокой температурой плавления. В вольфраме с его температурой плавления, равной 3387 C, рекристаллизация не происходит даже при красном калении, тогда как термическую обработку алюминиевых сплавов, плавящихся при низких температурах, в некоторых случаях оказывается возможным проводить при комнатной температуре.

Во многих случаях термической обработкой предусматривается очень быстрое охлаждение, называемое закалкой, цель которого сохранить структуру, образовавшуюся при повышенной температуре. Хотя, строго говоря, такую структуру нельзя считать термодинамически устойчивой при комнатной температуре, практически она вполне устойчива благодаря низкой скорости диффузии. Очень многие полезные сплавы обладают подобной "метастабильной" структурой.

Изменения, вызываемые термической обработкой, могут быть двух основных видов. Во-первых, и в чистых металлах, и в сплавах возможны изменения, затрагивающие только физическую структуру. Это могут быть изменения напряженного состояния материала, изменения размеров, формы, кристаллической структуры и ориентации его кристаллических зерен. Во-вторых, изменяться может и химическая структура металла. Это может выражаться в сглаживании неоднородностей состава и образовании выделений другой фазы, во взаимодействии с окружающей атмосферой, созданной для очистки металла или придания ему заданных поверхностных свойств. Изменения того и другого вида могут происходить одновременно.

Снятие напряжений. Деформация в холодном состоянии повышает твердость и хрупкость большинства металлов. Иногда такое "деформационное упрочнение" желательно. Цветным металлам и их сплавам обычно придают ту или иную степень твердости холодной прокаткой. Малоуглеродистые стали тоже часто упрочняют холодным деформированием. Высокоуглеродистые стали, доведенные холодной прокаткой или холодным волочением до повышенной прочности, необходимой, например, для изготовления пружин, обычно подвергают отжигу для снятия напряжений нагревают до сравнительно низкой температуры, при которой материал остается почти столь же твердым, как и раньше, но в нем исчезают неоднородности распределения внутренних напряжений. Благодаря этому ослабевает тенденция к растрескиванию, особенно в коррозионных средах. Такое снятие напряжений происходит, как правило, за счет локального пластического течения в материале, не приводящего к изменениям общей структуры.

Рекристаллизация. При разных методах обработки металлов давлением нередко требуется сильно изменять форму заготовки. Если формообразование должно проводиться в холодном состоянии (что часто диктуется практическими соображениями), то приходится разбивать процесс на ряд ступеней, в промежутках между ними проводя рекристаллизацию. После первой ступени деформации, когда материал упрочнен настолько, что дальнейшее деформирование может привести к разрушению, заготовку нагревают до температуры, превышающей температуру отжига для снятия напряжений, и выдерживают для рекристаллизации. Благодаря быстрой диффузии при такой температуре за счет атомной перестройки возникает совершенно новая структура. Внутри зеренной структуры деформированного материала начинают расти новые зерна, которые с течением времени полностью ее заменяют. Сначала образуются мелкие новые зерна в местах наибольшего нарушения старой структуры, а именно на старых границах зерен. При дальнейшем отжиге атомы деформированной структуры перестраиваются так, что тоже становятся частью новых зерен, которые растут и в конце концов поглощают всю старую структуру. Заготовка сохраняет прежнюю форму, но она теперь из мягкого, ненапряженного материала, который может быть подвергнут новому циклу деформирования. Такой процесс можно повторять несколько раз, если этого требует заданная степень деформирования.

Холодная обработка это деформирование при температуре, слишком низкой для рекристаллизации. Для большинства металлов данному определению соответствует комнатная температура. Если деформирование производится при достаточно высокой температуре, так что рекристаллизация успевает следовать за деформированием материала, то такая обработка называется горячей. Пока температура остается достаточно высокой, его можно сколь угодно сильно деформировать. Горячее состояние металла определяется, в первую очередь, тем, насколько его температура близка к точке плавления. Высокая ковкость свинца означает, что он легко рекристаллизуется, т. е. его "горячую" обработку можно проводить при комнатной температуре.

Контроль текстуры. Физические свойства зерна, вообще говоря, неодинаковы в разных направлениях, так как каждое зерно это монокристалл с собственной кристаллической структурой. Свойства металлического образца представляют собой результат усреднения по всем зернам. В случае беспорядочной ориентации зерен общие физические свойства одинаковы во всех направлениях. Если же некоторые кристаллические плоскости или атомные ряды большинства зерен параллельны, то свойства образца становятся "анизотропными", т. е. зависящими от направления. В этом случае у чашечки, полученной глубоким выдавливанием из круглой пластинки, будут "язычки", или "фестоны", на верхней кромке, объясняющиеся тем, что в одних направлениях материал деформируется легче, чем в других. При механическом формообразовании анизотропия физических свойств, как правило, нежелательна. Но в листах магнитных материалов для трансформаторов и других устройств очень желательно, чтобы направление легкого намагничения, которое в монокристаллах определяется кристаллической структурой, во всех зернах совпадало с заданным направлением магнитного потока. Таким образом, "предпочтительная ориентация" (текстура) может быть желательна или нежелательна в зависимости от назначения материала. Вообще говоря, при рекристаллизации материала его предпочтительная ориентация меняется. Характер этой ориентации зависит от состава и чистоты материала, от вида и степени холодной деформации, а также от длительности и температуры отжига.

Контроль размера зерен. Физические свойства металлического образца в значительной мере определяются средним размером зерен. Наилучшим механическим свойствам почти всегда соответствует мелкозернистая структура. Уменьшение размера зерна часто является одной из целей термической обработки (а также плавления и литья). При повышении температуры ускоряется диффузия, а потому средний размер зерна увеличивается. Границы зерен смещаются так, что более крупные зерна растут за счет мелких, которые, в конце концов, исчезают. Поэтому завершающие процессы горячей обработки обычно проводят при возможно более низкой температуре, чтобы были минимальны размеры зерен. Часто специально предусматривают низкотемпературную горячую обработку, в основном для уменьшения размеров зерен, хотя того же результата можно достичь холодной обработкой с последующей рекристаллизацией.

Гомогенизация. Процессы, о которых говорилось выше, протекают и в чистых металлах, и в сплавах. Но существует ряд других процессов, которые возможны лишь в металлических материалах, содержащих два или большее число компонентов. Так, например, в отливке сплава почти наверняка будут неоднородности химического состава, что определяется неравномерным процессом затвердевания. В затвердевающем сплаве состав твердой фазы, образующейся в каждый данный момент, не таков, как в жидкой, находящейся с ней в равновесии. Следовательно, состав твердого вещества, возникшего в начальный момент затвердевания, будет иным, нежели в конце затвердевания, а это и ведет к пространственной неоднородности состава в микроскопическом масштабе. Такая неоднородность устраняется простым нагреванием, особенно в сочетании с механическим деформированием.

Очистка. Хотя чистота металла определяется в первую очередь условиями плавления и литья, очистка металла часто достигается термической обработкой в твердом состоянии. Примеси, содержащиеся в металле, реагируют на его поверхности с атмосферой, в которой он нагревается; так, атмосфера водорода или другого восстановителя может превратить значительную часть оксидов в чистый металл. Глубина такой очистки зависит от способности примесей диффундировать из объема на поверхность, а поэтому определяется длительностью и температурой термической обработки.

Выделение вторичных фаз. В основе большинства режимов термической обработки сплавов лежит один важный эффект. Он связан с тем, что растворимость в твердом состоянии компонентов сплава зависит от температуры. В отличие от чистого металла, в котором все атомы одинаковы, в двухкомпонентном, например твердом, растворе имеются атомы двух разных сортов, случайно распределенные по узлам кристаллической решетки. Если увеличивать количество атомов второго сорта, то можно достичь состояния, когда они не смогут просто замещать атомы первого сорта. Если количество второго компонента превышает этот предел растворимости в твердом состоянии, в равновесной структуре сплава появляются включения второй фазы, отличающиеся по составу и структуре от исходных зерен и обычно разбросанные между ними в виде отдельных частиц. Такие частицы второй фазы могут оказывать сильное влияние на физические свойства материала, что зависит от их размера, формы и распределения. Эти факторы можно изменять термической обработкой.

Термическая обработка - процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и др.

4) Термическая обработка на машиностроительных заводах

Термическая печь, промышленная печь для проведения различных операций термической или химико-термической обработки металлических изделий. Т. п. классифицируют по методу работы: периодические (ванная печь, камерная печь, печь аэродинамического подогрева и др.) и непрерывные (индукционная нагревательная установка, проходная печь, протяжная печь, патентировочная печь и др.).

Для термической обработки прокатной продукции в металлургической промышленности наиболее широко применяют проходные и протяжные печи. Закалку, нормализацию и отпуск горячекатаных листов проводят в печах с роликовым подом. Холоднокатаную стальную полосу в рулонах отжигают как в протяжных, так и в колпаковых печах. В протяжных печах проводят термическую обработку полосы из углеродистой и нержавеющей стали и цветных металлов, а также химико-термическую обработку полосы из электротехнических сталей и подготовку полосы к нанесению на неё различных покрытий (цинкование, алюминирование и т. д.). Сортовой прокат обрабатывают в печах с роликовым подом и в конвейерных печах. Для обработки труб применяют печи с роликовым подом, секционные печи скоростного нагрева, печи с шагающим подом и конвейерные печи. Проволоку в мотках и прутки обрабатывают в печах с роликовым подом, а при небольшом объёме производства -- в колпаковых печах. Закалку проволоки в свинце или оцинкование её ведут в патентировочных печах. Термическую обработку колёс и колёсных бандажей для ж.-д. транспорта проводят в вертикальных печах, а иногда в кольцевых печах.

В машиностроительной промышленности при индивидуальном или мелкосерийном производстве применяют главным образом периодические Т. п., а при крупносерийном и массовом производстве -- непрерывные Т. п. В литейных, термических и др. цехах машиностроительных заводов широко распространены печи с выкатным подом. На заводах тяжёлого машиностроения для обработки крупных изделий применяют вертикальные и ямные печи. С увеличением числа операций термической обработки в атмосфере контролируемого состава на машиностроительных заводах всё чаще устанавливают колпаковые и элеваторные печи. Для непрерывной обработки при крупносерийном производстве целесообразно применять толкательные печи, конвейерные печи, печи с роликовым подом, печи с подвижными балками, а иногда кольцевые и карусельные печи. В автомобильной, тракторной, подшипниковой и др. отраслях массового машиностроения получают распространение поточные закалочно-отпускные, нормализационно-отпускные, нитроцементационные, цементационные и др. агрегаты. В случае необходимости особо равномерного и быстрого нагрева, а также при тонкой поверхностной цементации или нагреве без окисления и обезуглероживания поверхности небольших деталей применяют ванные печи. Особо точные, скоростные и специальные режимы термической обработки массовых деталей проводят в индукционных нагревательных печах. Для обработки большемерных и сложных по форме изделий из лёгких металлов в случае повышенных требований к точности режима обработки (главным образом в авиационной промышленности) целесообразны печи аэродинамического подогрева.

Для обеспечения высокой точности нагрева металла большое число Т. п. проектируют с электрическим обогревом. В результате развития методов нагрева при сжигании газового топлива (нагрев с помощью радиационных труб, струйный нагрев, применение принудительной циркуляции и т. д.) почти все типы Т. п. могут успешно работать и при газовом отоплении; это особенно важно в связи с тем, что большинство заводов получило высококачественное топливо -- природный газ.

Современные режимы термической и особенно химико-термической обработки характеризуются значительной сложностью. Для таких режимов перспективны поточные агрегаты или непрерывные линии, в которые включено несколько камер или печей непрерывного действия. Химико-термическую и всё в большем объёме термическую обработку проводят в атмосферах контролируемого состава, для работы с которой также наиболее пригодны непрерывные Т. п. Периодические Т. п. машиностроительной промышленности усовершенствуют путём применения атмосфер контролируемого состава, принудительной циркуляции, а также механизации работы и обслуживания.

Размещено на Allbest.ru