Оборудование для термообработки

Для термической обработки металлов применяются печи разнообразных типов и конструкций, в зависимости от вида обработки (закалка, отпуск и т. п.), веса и габарита изделий, рода применяемого топлива, характера производства и ряда других факторов. Термическая печь должна удовлетворять следующему основному требованию: она должна обеспечивать заданный температурный режим нагрева металла при наибольшей производительности, наименьшем расходе топлива и минимальной потере металла с окалиной. Основными данными, характеризующими работу печей, являются:

1) коэффициент полезного действия печи (к. п. д.);

2) удельный расход, топлива или электроэнергии;

3) удельная производительность печи в час.

К. п. д. печи называется отношение тепла, затраченного на нагрев металла, ко всему теплу, выделенному топливом при горении. Чем больше это отношение, тем лучше работает печь. Удельный расход топлива означает расход топлива в килограммах или кубических метрах или электроэнергии в киловатт-часах на 1 т обрабатываемой продукции.

Удельная производительность - это производительность печи в час, выраженная в килограммах на 1 м площади пода.

Термические печи можно охарактеризовать по следующим основным признакам: по назначению, по характеру работы, по источнику нагрева. По назначению термические печи разделяются на отжигательные, закалочные, отпускные, цементирующие и т. д. Некоторые печи являются универсальными; их можно использовать для нагрева при отжиге, нормализации, закалке, высоком отпуске и цементации в твердом карбюризаторе. По характеру работы различают термические печи периодического и непрерывного действия.

Печи периодического действия работают следующим образом. В печь загружается партия деталей, нагревается до определенной температуры и выдерживается при этой температуре заданное время. После извлечения изделий из печи в нее загружается новая партия изделий. Печи периодического действия применяют при индивидуальном или серийном производстве; они используются чаще всего в инструментальных и ремонтных цехах машиностроительных заводов, где термической обработке подвергают различные типы изделий при относительно небольших количествах их. Следует, однако, иметь в виду, что разнообразие термических операций, производимых в одной печи, снижает ее производительность. Поэтому при наличии в цехе нескольких печей лучше их специализировать для определенных видов термической обработки.

 

 

Основные виды термообработки

Виды термообработки

Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.

Отпуск

Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

 

 

Отжиг сталей

О́тжиг — вид термической обработки металлов, сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений[1].

По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:

Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).

Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: металл нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Полный и неполный отжиг

Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали ваустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/час. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

Неполный отжиг заключается в нагреве до температуры между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг

Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг

Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для литого материала, обеспечивает получение равновесной структуры. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах. При диффузионном отжиге идут следующие процессы:

выравнивание химического состава до равновесного;

растворение избыточных фаз;

выделение фаз из пересыщенного твердого раствора — особый случай — гетерогенизация во время гомогенизации, наблюдается в алюминиевых сплавах, содержащих хром, цирконий и скандий;

рост зерна;

образование и рост пор.

 

 

Закалка сталей

Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, их сплавы, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. [1] Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве.

Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду.

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK (см. диаграмму железоуглеродистых сплавов), в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется дляинструментальных сталей

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650-400 °C, то есть в том интервале температур в котором аустенит менее всего устойчив, быстрее всего превращается в феритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда(Термат), а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения - стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).

Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.

Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.

Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом.[3]

 

 

Отпуск сталей

О́тпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенситсплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а такжеполигонизация и рекристаллизация.

Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150—260 °C до 370—650 °C с последующим медленным остыванием.

Низкотемпературный отпуск

Проводят при температурах до 250 °C. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.

Среднетемпературный отпуск

Проводят при температурах 350—500 °C и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Ускоряютсядиффузионные процессы, происходит выделение избыточных атомов углерода в виде цементита, то есть мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. После среднего отпуска структура состоит из равновесного феррита и дисперсных включений цементита, такая структура называется зернистый троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах 400—500 °C в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный отпуск

Проводят при температурах 500—680 °C. При этом остается высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки (зубчатые колеса, валы).