Основные методы термической обработки металлов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других - является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали - для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).

В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

Предметом данной контрольной работы является рассмотрение новых видов термической обработки. Целью написания данной контрольной работы является изучение видов термообрабоки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий круг задач:

- охарактеризовать виды термической обработки;

- рассмотреть современные виды термической обработки;

- рассмотреть современную технологию термической обработки валков.

1. Назначение и виды термической обработки

Термической (тепловой) обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате чего происходят изменения структуры, фазового состава, механических и физических свойств материала, без изменения химического состава.

Назначение термической обработки металлов - получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка подразделяется на термическую, термомеханическую и химико-термическую. Термическая обработка - только термическое воздействие, термомеханическая - сочетание термического воздействия и пластической деформации, химико-термическая - сочетание термического и химического воздействия. Термическая обработка, в зависимости от структурного состояния, получаемого в результате ее применения, подразделяется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск.

Отжиг.

Отжиг - термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Отжиг первого рода. Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный.

Гомогенизационный - это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950єС (обычно 1100-1200єС) с целью выравнивания химического состава.

Рекристаллизационный - это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепаи получение определенной величины зерна.

Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит).

Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30-50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400-500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100 °С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая.

Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием.

Диффузионный отжиг. Металл нагревают до температур 1100-1200єС, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава.

Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50-100єС. В основном применяется для легированных сталей. Экономически выгоден, так как длительность обычного отжига (13 - 15) ч, а изотермического отжига (4 - 6) ч

Сфероидизирующий отжиг (на зернистый перлит) заключается в нагреве стали выше критической температуры на 20 - 30 °С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

Светлый отжиг осуществляется по режимам полного или неполного отжига с применением защитных атмосфер ил в печах с частичным вакуумом. Применяется с целью защиты поверхности металла от окисления и обезуглероживания.

Нормализация - заключается в нагреве металла до температуры на 30-50єС выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Вместо отжига низкоуглеродистые стали подвергают нормализации. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Нормализацию с последующим высоким отпуском применяют вместо отжига для исправления структуры легированных сталей. Нормализация по сравнению с отжигом - более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью.

Закалка.

Закалка - это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры.

В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке - температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры - мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки.

Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло).

Закалка в двух средах (прерывистая закалка) - это закалка при которой деталь охлаждают последовательно в двух средах: первая среда - охлаждающая жидкость (вода), вторая - воздух или масло.

Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях, после выдержки в течении времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует снижению закалочных напряжений.

Изотермическая закалка так же, как и ступенчатая, производится в двух охлаждающих средах. Температура горячей среды (соляные, селитровые или щелочные ванны) различна: она зависит от химического состава стали, но всегда на 20-100 °С выше точки мартенситного превращения для данной стали. Окончательное охлаждение до комнатной температуры производится на воздухе. Изотермическая закалка широко применяется для деталей из высоколегированных сталей. После изотермической закалки сталь приобретает высокие прочностные свойства, то есть сочетание высокой вязкости с прочностью.

Закалка с самоотпуском имеет широкое применение в инструментальном производстве. Процесс состоит в том, что детали выдерживаются в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а в определенный момент извлекаются из нее с целью сохранения в сердцевине детали некоторого количества тепла, за счет которого производится последующий отпуск.

Отпуск.

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска - снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий.

Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350-600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей.

Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 - 500 °С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей.

Низкий отпуск производится при температурах 150-250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость.

Контроль отпуска осуществляется по цветам побежалости, появляющимся на поверхности детали.

Старение.

Старение - это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры. Известны два вида старения: термическое и деформационное.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода в железе в зависимости от температуры.

Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным.

Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

Деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации.

Обработка холодом

Новый вид термической обработки, для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

Методы поверхностного упрочнения.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Различают следующие виды: индукционная закалка; закалка в электролите, закалка при нагреве токами высокой частоты(ТВЧ), закалка с газопламенным нагревом.

Индукционная закалка основана на физическом явлении, сущность которого заключается в том, что электрический ток высокой частоты, проходя по проводнику, создает вокруг него электромагнитное поле. На поверхности детали, помещенной в этом поле, индуцируются вихревые токи, вызывая нагрев металла до высоких температур. Это обеспечивает возможность протекания фазовых превращений.

В зависимости от способа нагрева индукционная закалка подразделяется на три вида:

- одновременный нагрев и закалка всей поверхности (используется для мелких деталей);

- последовательный нагрев и закалка отдельных участков (используется для коленчатых валов и подобных им деталей);

- непрерывно-последовательный нагрев и закалка перемещением (используется для длинных деталей).

Газопламенная закалка. Процесс газопламенной закалки заключается в быстром нагреве поверхности детали ацетилено-кислородным, газокислородным или кислородно-керосиновым пламенем до температуры закалки с последующим охлаждением водой или эмульсией.

Закалка в электролите. Процесс закалки в электролите заключается в следующем: в ванну с электролитом (5-10% раствор кальцинированной соли) опускают закаливаемую деталь и пропускают ток напряжением 220-250 В. В результате чего происходит нагрев детали до высоких температур. Охлаждение детали производят или в том же электролите (после выключения тока) или в специальном закалочном баке.

2. Современные виды термической обработки

Термическая обработка в вакууме.

Вакуумные печи можно рассматривать как альтернативу повсеместного метода закалки в масле. Нагрев происходит конвективно с давлением газа до 3 бар и/или в вакууме. Хорошее расположение зоны вывода горячих газов из нагревательной камеры дает улучшение равномерности охлаждения и великолепные результаты скорости охлаждения. Закалка возможна различными газами: азотом, гелием, водородом до давления 20 бар.

Закалка газом вызывает существенно меньшие коробления. Оборудование позволяет выбирать скорость закалки. Следовательно, деталь закаливается с той скоростью, которая дает необходимую твердость, но не быстрее, так как повышенная скорость ведет к повышенной деформации.

Наиболее известные производители вакуумных печей в Европе немецкая фирма «ALD» и польская фирма «SEKO/WARWICK» производят горизонтальные, вертикальные вакуумные печи, печи с вращающимся подом во время цикла охлаждения. Диффузионный насос NH35 в печах с вращающимся подом позволяет работать с рабочим вакуумом 2•10 мбар.

Вакуумные печи SWL c круглой нагревательной камерой и нагревательными элементами из изогнутого графита, со вспомогательным оборудованием оборудованием конвекционного нагрева ConFlap в настоящее время являются авангардом конструкций вакуумных печей.

Вакуумная термическая обработка благоприятна с точки зрения окружающей среды. Отпадают такие экологические проблемы, как масло, моющие средства или закалочные соли.

Вакуумные установки для термической обработки работают:

- с равномерным нагревом,

- высокой равномерностью температуры,

- равномерной закалкой,

- изменяемой скоростью закалки,

- высокой мощностью закалки,

- коротким временем циклов,

- конвективным нагревом.

Вакуумные печи гарантируют:

- незначительные коробления,

- надежность,

- экономичность.

Вакуумная цементация и нитроцементация.

Вакуумная цементация и нитроцементация представляют собой наиболее эффективные способы насыщения сталей. В качестве насыщающей атмосферы при цементации используют ацетилен, при нитроцементации ацетилен и аммиак.

Разработана уникальная технология вакуумной цементации FineCarb, которая основывается на смеси трех газов. Эта технология гарантирует чистый процесс без внутреннего окисления, которое можно наблюдать при технологии основанной на ацетилене.

Вакуумная цементация проводится в вакууме при давлении 1-15 Мбар в углеродсодержащей среде, где носителем является этилен с ацетиленом, смешанные с водородом или аммиаком в определенной запатентованной пропорции.

Возможно использование газов пропана (С2Н4), этилена(С22Н2) или ацетилене (С22Н2).

Ионное азотирование.

Ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде) является новым высокоэффективным методом поверхностного упрочнения деталей.

Первые установки для ионного азотирования были созданы фирмой «Клокнер Ионен» в г.Кельне Германия. Широко используется в Швейцарии, Франции, США.

Методом ионного азотирования можно обрабатывать улучшаемые, специальные, инструментальные стали, а также чугуны.

Сущность ионного азотирования заключается в следующем. В разреженной азотсодержащей атмосфере между катодом (деталью) и стенками камеры электрической печи, которая заземлена и является анодом, возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Рабочая температура процесса ионного азотирования выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и может колебаться от 350 до 600°С (для улучшаемых сталей 500°С - 540°С). Напряжение 400-1100 В, разрежение 133-1330 Па. Рабочее давление лимитируется свойствами тлеющего разряда. При давлении ниже 133 Па энергия ионов недостаточна для нагрева обрабатываемой детали до рабочей температуры, при давлении выше 1330 Па нарушается стабильность разряда, тлеющий разряд переходит в дуговой, что сопровождается появлением на поверхности оплавленных микрократеров

Выбор оптимального давления зависит от сложности конфигурации детали, так как с изменением давления изменяется протяженность каждой части разряда. С увеличением давления от 133 до 1330 Па область каждой части разряда уменьшается. Это необходимо учитывать для обеспечения равномерности диффузионного слоя по периметру изделия.

Плотность тока в больших пределах (0,5-20 мА/м2) не оказывает влияния на процесс азотирования.

В качестве азотсодержащих газов применяют аммиак, азот и смесь азота с водородом.

Глубина азотированного слоя может быть 0,2-0,8мм. Твердость 80-92 HRN15.

3. Современные технологии термической обработки валков

В настоящее время мировой рынок ориентирован на потребление валков из высоколегированных сталей. Новые материалы и технологии позволяют увеличить широкий спектр качественных показателей валков и обеспечивают глубину рабочего слоя опорных валков до 100мм, рабочих - до 60мм, разброс значений твердости по поверхности 1-2HSD, а по глубине рабочего слоя до 4HSD.

С целью увеличения глубины закаленного слоя повышения эксплуатационных характеристик, уменьшения уровня остаточных напряжений широко используется спрейерная, индукционная закалка и дифференцированная термическая обработка.

На фирме Steinhoff широко применяется индукционная закалки, в том числе двухчастотная. Используется индукционная закалка с поступательным движением кольцевого индуктора, индукционная закалка с нагревом и охлаждением всей поверхности бочки валка.

Широко используется дифференцированная термообработка с газовым скоростным нагревом поверхности бочки и спрейерной закалкой в вертикальном положении.

Так на фирме Gonterman - Peipers при термообработке валков из быстрорежущих и высокохромистых марок сталей особое значение придается многократным отпускам для снижения количества остаточного аустенита и изотермической закалке на бейнит для снижения уровня закалочных напряжений. При закалке валков широко используется водо-воздушное и воздушное охлаждение

Главным достоинством высоколегированных сталей является высокая прокаливаемость и соответственно глубина закаленного слоя. Для реализации высокого потенциала хромистых сталей в Мире широко внедряется технология двухчастотной закалки, которая позволяет увеличить закаленные слой с 45мм до 60мм.

При последовательной индукционной закалке валок подвешивается вертикально в машине, состоящей в основном из металлической рамы, снабженной опорой и направляющей системой для индукторов и валка, с управлением разными движениями:

- вращение выполняется со скоростью около 30 об/мин, что обеспечивает равномерных нагрев и, следовательно, закалку валка;
- перемещение через индукторы и системы закалки производится с постоянной скоростью, которая, однако, может регулироваться от 0.2 до 2мм/с в зависимости от диаметра валков.

Частота зависит от требований к закалке и может колебаться в зависимости от диаметра валка:

- частота в 1000Гц сообщает глубину закалки от 12 до 15мм валкам диаметром от 250 до 500мм;

- частота 250Гц сообщает глубину закалки от 15 до 20мм валкам диаметром от 250 до 1200мм;

- двойная частота 50/250Гц, все более широко используется для валков большого диаметра (1200мм и более).

- валок проходит через первый индуктор с частотой 50Гц, который образует тепловой барьер на глубине; он снижает точку превращения Аc3 ниже зоны закалки;

- затем валок попадает во второй индуктор с частотой 250Гц, тепло от которого как компенсирует падение температуры, вызванное потерями через излучение, так и позволяет произвести немагнитный фазовый нагрев до окончательной температуры закалки в зоне, предварительно нагретой при частоте 50Гц. Глубина закалки зависит также от времени нагрева, т.е. от скорости с которой валок проходит через индуктор.

Индукционный нагрев токами с частотой 50 и 250Гц позволить увеличить глубину поверхностного слоя, прогретого выше критической точки Ас1 (Аc3). А интенсивное охлаждение после нагрева позволит увеличить закаленный слой.

После закладки хромистых сталей сохраняется значительное количество остаточного аустенита. Для уменьшения количества остаточного аустенита технология термообработки должна включать криогенную обработку. Криогенная обработка позволить снизить содержание остаточного аустенита до 5%, повысить твердость на 3-4 HSD, снизить разброс твердости до 2HSD. Таким образом, актуальной проблемой перехода на выпуск конкурентоспособных валков из высокохромистых сталей является создание участка двухчастотной закалки и обработки холодом.

Современные закалочные среды.

В области объемной термообработки при закалке валков в Германии используется новое синтетическое закалочное масло “SYNSBOL 9000” на основе экологически и чистых материалов, которые характеризуются устойчивостью к испарению, низкой вязкостью и хорошими закалочными свойствами, а также имеет высокую долговечность и дает эффект светлой закалки; возможно изменение охлаждающей способности масла в зависимости от легирования стали. Созданы малогабаритные переносные приборы для измерения охлаждающей способности различных закалочных сред, снабженные портативным процессором с блоком памяти и принтером.

В Германии разработан новый раствор полимера Aqua-Quench 3150 для спрейерного охлаждения при индукционной закалке. Полимерные растворы позволяют быстро и равномерно охлаждать нагретые изделия, не вызывают их коррозию, не содержат нитратов, не воспламеняются и не образуют дым при закалке, т.е. являются экологически чистыми. Очистка деталей после закалки в этих средах не вызывает затруднений.

Применение полимерных закалочных сред и управляемой компьютером спрейерной закалки дает возможность получать материалы с требуемыми свойствами. Спрейерная и струйная закалка позволяет регулировать скорость охлаждения, уменьшить коробление, получить высокую и равномерную твердость при легкости очистки поверхности, безопасности работы, нетоксичности, уменьшении загрязнения окружающей среды и стоимости операций такой термической обработки.

Заключение

термический закалка индукционный прочностный

Термическая обработка является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Разработаны и рационализированы технологические процессы термической обработки серых и белых чугунов, сплавов цветных металлов

Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является установка агрегатов для термической обработки в механических цехах, создание автоматических линий с включением в них процессов термической обработки, а также и разработка методов, обеспечивающих повышение прочностных свойств деталей, их надежности и долговечности.

Из современных видов термообработки можно выделить термическую обработку в вакууме. Вакуумные печи можно рассматривать как альтернативу повсеместного метода закалки в масле. Нагрев происходит конвективно с давлением газа до 3 бар и/или в вакууме. Хорошее расположение зоны вывода горячих газов из нагревательной камеры дает улучшение равномерности охлаждения и великолепные результаты скорости охлаждения. Закалка возможна различными газами: азотом, гелием, водородом до давления 20 бар.

Закалка газом вызывает существенно меньшие коробления. Оборудование позволяет выбирать скорость закалки. Следовательно, деталь закаливается с той скоростью, которая дает необходимую твердость, но не быстрее, так как повышенная скорость ведет к повышенной деформации.

Вакуумная цементация и нитроцементация представляют собой наиболее эффективные способы насыщения сталей. В качестве насыщающей атмосферы при цементации используют ацетилен, при нитроцементации ацетилен и аммиак.

Разработана уникальная технология вакуумной цементации FineCarb, которая основывается на смеси трех газов. Эта технология гарантирует чистый процесс без внутреннего окисления, которое можно наблюдать при технологии основанной на ацетилене.

Ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде) является новым высокоэффективным методом поверхностного упрочнения деталей.

Методом ионного азотирования можно обрабатывать улучшаемые, специальные, инструментальные стали, а также чугуны.

Сущность ионного азотирования заключается в следующем. В разреженной азотсодержащей атмосфере между катодом (деталью) и стенками камеры электрической печи, которая заземлена и является анодом, возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения.

Список использованной литературы

1. Блантер М.Е. Теория термической обработки. / М.Е. Блантер. М.: Металлургия, 2008.

2. Гуляев А.П. Металловедение./ А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 2006.

3. Гусева С.С. Непрерывная термическая обработка автолистовой стали. / С.С. Гусева, В.Д. Гуренко, Ю.Д. Зварковский. М.: Металлургия, 2009. 224с.

4. Горбунов И.П. Металловедение специальных сталей. Учебное пособие. Часть 2./И.П. Горбунов. Липецк: Липецкий государственный технический университет, 2007.

5. Захаров Б.В. В.Н. Берсенева «Прогрессивные технологические процессы и оборудование при термической обработке металлов» М. «Высшая школа» 2008 г.

6. Зуев В.М. «Термическая обработка металлов» М. Высшая школа 2006 г.

7. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов./ В.С. Золотаревский. М.: Металлургия, 2008.

8. Кузьмин Б.А.«Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Машиностроение» 2007 г.

9. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов./ Ю.М. Лахтин. М.: Металлургия, 2007.

10. Левина Б.Е. Технология термической обработки стали./ Б.Е. Левина. М.: Металлургия, 2004.

11. Марочник сталей и сплавов. В.Г. Сорокин, А.В. Валосников, С.А. Ваткин и др. М.: Машиностроение, 2008. 640с.

12. Никифоров В.М. «Технология металлов и конструкционные материалы» М. «Высшая школа» 2008 г.

13. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов./ И.И. Новиков. М.: Металлургия, 2008.

Размещено на Allbest.ru