Изделий (точность изготовления изделий 2 мкм)

 

Диаметр или толщина изделий, мм	менее 10	10-20	20-40	40-60	более 60
Время выдержки, ч	1…2	2…3	3…4	4…5	5…6

Примечание. По данным Х.К. Баскаева и А.И. Самохоцкого.

 

Охлаждение деталей из углеродистых сталей ведется при отпуске на воздухе, а для легирования сталей, склонных к проявлению отпускной хрупкости II рода, применяют ускоренное охлаждение, например, в минеральном масле.

Поверхностное упрочнение. В машиностроении широко применяется поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Рекомендуемая глубина закаленного слоя при таком способе закалки в зависимости от диаметра детали дана в табл. 12, а частота тока - в табл. 13.

Оптимальные температуры нагрева при поверхностной закалке с индукционным нагревом определяют по приводимым в литературе диаграммам преимущественных температур нагрева в зависимости от скорости нагрева. При этом скорость нагрева ориентировочно можно принимать равной до 300 …500 градусов в секунду.

При выбранных глубине закаленного слоя (или заданных в технических условиях и на рабочем чертеже детали) и частоте тока назначают по графикам «время нагрева-диаметр детали» требуемое время нагрева; на этих графиках приведены и данные о сообщаемой детали и о удельной мощности на единицу площади поверхности детали.

 Таким образом, в результате получают при заданном диаметре детали данные о глубине закаленного слоя, частоте тока, удельной мощности, температуре и времени нагрева ТВЧ. В технологической документации приводятся следующие параметры настройки генераторов (по ГОСТ ЕСТД 3.1405-86).

В случае лампового генератора (ЛГ):

· сила анодного тока, сила сеточного тока, анодное напряжение, напряжение на контуре.

В случае машинного генератора (МГ):

· сила тока МГ, сила тока возбуждения, напряжение МГ, напряжение
на индукторе МГ, потребляемая мощность МГ.

                                             Таблица 12                                                                   Таблица 13

           Глубина закаленного слоя                                                Частота тока

 

Диаметр изделия, мм	Глубина  закаленного слоя, мм		Глубина  закаленного слоя, мм	Рекомендуемая частота тока, Гц
40 60 80 100	1,6-3,1 2,3-3,9 2,6-4,5 2,9-5,0		2,0 3,0 4,0 5,0	15000 7000 4000 1500

 

Способы охлаждения при поверхностной закалке с нагревом ТВЧ раз­личны. Часто применяемым является «душевое» охлаждение многочисленными струями воды, подаваемой под давлением на поверхность детали через отверстия на внутренней поверхности индуктора. Закалку деталей большей длины проводят при их вращении с перемещением индуктора вдоль детали, т.е. непрерывно последовательным способом. Для закалки отдельных поверхностей детали применяют способ последовательной закалки по частям. При закалке с индукционным нагревом деталей небольших размеров используют охлаждение всей поверхности.

Объемно-поверхностная закалка при глубинном нагреве деталей из сталей пониженной прокаливаемости марки 55ПП и др. с уменьшенным содержанием марганца и кремния. При этом способе толщина закаленного поверхностного слоя определяется не глубиной нагрева, а прокаливаемостью стали, т.е. способностью к закалке (получению структуры мартенсита или мартенсита и троостита (не более 50 %) на определенное расстояние от поверхности вглубь детали).

Время нагрева 20…100 секунд, глубина нагрева должна быть обязательно примерно в два раза больше толщины закаленного мартенситного слоя             ( d_нагр» 2d_зак), интенсивное охлаждение потоком большого количества быстродвижущейся воды. Вследствие использования сталей пониженной прокаливаемости детали получают небольшой слой мартенсита на глубину 2…3 мм с твердостью HR С 58. Далее располагается упрочненная зона со структурой троостита и сорбита закалки, имеющая твердость HR С 33…35.

Способ объемно-поверхностной закалки применяется для высоко-нагруженных деталей машин (зубчатых колес, осей и др.) в условиях массового и серийного производства (автомобилестроение и др.). 

Лазерное термоупрочнение. При термической обработке с лазерным нагревом используются газовые и твердотельные лазерные установки, которые имеют системы транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмы перемещения изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча на поверхность происходит поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше температур А _С1 и А _С3, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого приповерхностного слоя. В процессе охлаждения нагретого участка путем теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды создается скорость охлаждения до 1000 градусов в секунду (V _охл >> V _{крит.зак}), происходит фазовое превращение аустенита в мартенсит, то есть закалка. Непосредственно у поверхности микроструктура сос­тоит из мелкоиголъчатого мартенсита, небольшого количества остаточного аустенита и высокодисперсных карбидов. В более глубокой переходной зоне образуется структура из мартенсита, троостита и карбидов.

При лазерной обработке в непрерывном режиме параметрами технологии являются мощность изучения N _изл, диаметр пятна луча Д, скорость перемещения V луча относительно обрабатываемой поверхности изделия (по ГОСТ ЕСТД 3.1405-86).

Для деталей из стали 45 при N _изл =700…1000 Вт, V = 4…12 мм/с глубина закаленного слоя d = 0,5…1 мм, ширина слоя в = 3…7 мм (по данным ЭНИМС). Штампы из стали У8 обрабатывали при N _изл = 600 Вт, V =12 мм/с,     Д = 3 мм с получением d = 0,9 мм; твердость поверх­ности составляет                         950…1100 MПa.

Термомеханическая обработка стали (ТМО). ТМО заключается в совмещении упрочнения путем пластической деформации стали, обычно в состоянии аустенита, и последующей закалки на мартенсит. Разработаны различные виды ТМО и аналогичных обработок. В промышленности большее применение имеет высокотемпературная ТМО (ВТМО). Обрабатываемую деталь нагревают до температуры выше Aс ₃ с получением структуры аустенита. Далее проводят пластическую деформацию методами ковки, прокатки и др. со степенью обжатия 20…30 % и быстрое охлаждение до комнатных температур. Скорость охлаждения должна быть больше критической скорости закалки для обеспечения получения структуры мартенсита. После этого выполняют низкотемпературный отпуск. ВТМО позволяет получить прочность 2200 …2400 МПа и высокое сопротивление хрупкому разрушению.  

  Термическая обработка режущего инструмента. При необходимости обеспечения теплостойкости инструментов используют быстрорежущие стали. В случае изготовления сверл, фрез и некоторых других инструменты изготовляют составными: режущая часть из стали Р6М5 и др., а корпусная часть из сталей 40; 45; 40Х и др. Для нагрева под закалку режущей части сверл применяют ступенчатый режим нагрева в нескольких соляных ваннах; например, нагрев до 600…660 °С, затем подогрев до 800…850 °С в другой ванне и, наконец, окончательный нагрев до 1210…1230°С (сталь Р6М5) в хлорбариевой ванне.

Охлаждение проводят в соляной или щелочной ванне до 500…550°С и далее на воздухе. Длинный стержневой инструмент охлаждают в масле до 200…250 °С и подвергают правке. Затем инструмент промывают в горячей воде при 70°С, растворе холодной воды и проводят пассивирование для образования защитной пленки от атмосферной коррозии. После закалки проводят трехкратный отпуск при 560°С и выдерживают по одному часу с охлаждением на воздухе до комнатных температур.

 

 Выбор оборудования

 

Для нагрева деталей при термической обработке на машиностроительных заводах применяются печи и другие нагревательные устройства. Различают печи периодического и непрерывного действия. Некоторые данные о нагревательных устройствах, применяемых на машиностроительных завозах Нижнего Новгорода, приведены в табл. 14.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве при выпуске деталей до нескольких сотен штук в год для закалки широко применяются камерные печи, а для отпуска закаленной стали – шахтные печи с вертикальным расположением камеры нагрева; печи-ванны. При использовании таких печей периодического действия различают периоды загрузки деталей в печь, выдержки в печи и разгрузки.

В массовом и крупносерийном производстве с объемом выпуска до сотен тысяч деталей в год для закалки и отпуска деталей широкое применение имеют печи непрерывного действия. В таких печах тепловой режим постоянен по зонам рабочего пространства (по длине печи), а детали перемещаются в рабочем пространстве печи с помощью конвейера из жароупорных деталей или толкательного устройства от загрузки в печь до выгрузки из печи.

Для создания непрерывности технологического процесса термической обработки в ряде случаев несколько видов оборудования соединяются в единый поточный агрегат. Такой агрегат для закалки и отпуска деталей состоит из конвейерной закалочной печи; закалочного бака для охлаждения, моечной машины для промывки деталей и конвейерной печи для отпуска.

Более подробные сведения о нагревательных устройствах, используемых при термической обработке, рассмотрены в учебниках по материаловедению и термической обработки.

Таблица 14

Нагревательные устройства термических производств машиностроения (примеры)

Обознач. серии	Тип нагреват-го устройства	Конструкция устройства	Характер среды	t max, ^0С	Назначение при термообработке
СНО	СНО-4^.8^.2,5/10	камерная	окислительная атмосфера	1000	закалка, отжиг
СН3	СН3-3^.6^.2/10	камерная	защитная  атмосфера	1000	закалка, отжиг
Окончание таблицы
Обознач. серии	Тип нагреват-го устройства	Конструкция устройства	Характер среды	t max, ^0С	Назначение при термообработке
ОКБ	ОКБ-210	камерная	защитная  атмосфера	1300	закалка
СШ3	СШ3-6^.6/7	шахтная	защитная  атмосфера	700	отпуск закаленных изделий
ПН	ПН-32	шахтная	окислительная атмосфера	650	отпуск закаленных изделий
Ш	Ш-30	шахтная	окислительная атмосфера	950	закалка
Ц	Ц-105Б	шахтная	науглероживающая атмосфера	950	цементация
США	США-6^.6/6	шахтная	аммиак	600	азотирование
МГ3	МГ3-208АК	машинный генератор ТВЧ	воздух	частота  тока 8000 Гц	поверхностная индукционная закалка
СВС	СВС-2^.4^.4/10	ванна электродная	расплавленная соль	1000	закалка
СВГ	СВГ-20/8,5	печь-ванна	расплавленная соль	850	отпуск закаленных изделий

 

Примеры выбора технологий термической обработки изделий

  Пример 1. Задание. Требуется разработать технологический процесс термической обработки зубчатых колес для коробки передач автомобиля. Глубина упрочняемого слоя 0,5…0,7 мм; твердость поверхностного слоя Н R С 60…65; сердцевины - H R C 35…45. Для изготовления колес была выбрана сталь марки 25 ХГМ.

  Решение. Исходя из заданных технических условий и принятой мари стали, проектируем маршрутную технологию, включающую операции нитроцементации, закалки и низкого отпуска.

Термическую обработку в условиях крупносерийного производства автомобилестроения проводим в безмуфельном агрегате. Технологичес­кий процесс ведется в такой последовательности:

1. Нитроцементация. Температура 1-й зоны равна 780 °С, II и III зон - 840°С; время пребывания деталей в печи 5 ч. Расход газовой среды (м³/ч): эндогаз 25…30; природный газ 1,5…2,5; аммиак 0,8…1,2.

2. Закалка от температуры 830°С в масле с температурой 180°С.

3. Промывка зубчатых колес от масла в горячей воде в течение 45 мин.

4. Отпуск при температуре 180°С с выдержкой 2 ч.

Пример 2. Задание. Разработать технологический процесс термической обработки режущего инструмента (метчиков для нарезания резьбы в отверстиях) из стали марки У12А.

  Решение. Исходя из требований к инструменту и марки стали, проектируем маршрутную технологию, включающую закалку и низкий отпуск.

Принимаем технологический процесс термической обработки метчи­ков в автоматическом агрегате из следующих операций:

1. Закалка:

предварительный нагрев до 300…400°С в шахтной газовой печи; окончательный нагрев до 780…820°С в соляной ванне; охлаждение предварительное в щелочной ванне при 150…200°С; охлаждение окончательное до комнатных температур сжатым воздухом.

2. Промывка в горячей  проточной воде с температурой не ниже 70°С.

     3. Отпуск при 180…200°C в соляной ванне.

     4. Двухкратная промывка в горячей проточной воде при 70°С.

      5. Пассивирование в водном растворе NaNO₂ (2…3 %) и Na₂CO₃ (0,3 %) при температуре не ниже 70°С.

     6. Просушивание воздухом при 160…180°С.

Пример 3. Задание. Требуется разработать технологический процесс термической обработки пуансонов для холодной штамповки. В качестве материала пуансонов была выбрана сталь марки Х12Ф1.

Решение. Исходя из термических требований к пуансонам и принятой марки стали, проектируем маршрутную технологию, состоящую из закалки и низкого отпуска.

Принимаем следующий технологический процесс:

1. Закалка:

подогрев до 800…850°С в соляной ванне; выдержка 13 мин; окончательный нагрев до 1040…1070°С в другой соляной ванне: выдержка 5 мин; охлаждение в минеральном масле.

2. Очистка металлическим песком.

3. Отпуск при 150…170°С; выдержка 10…12 ч.

4. Очистка металлическим песком.

Приведенные примеры показывают подход к проектированию техно­логических процессов термической обработки. Изучение многообразных разновидностей такой обработки проводится по литературным данным и заводским аналогам.

Более подробная характеристика технологических процессов дается при проработке и составлении операционных карт МК/ОК по Государственным стандартам Единой системы технологической документации.

 

Некоторые материаловедческие вопросы назначения