Технологический процесс термической обработки деталей машин

Главная > Книга >Промышленность, производство

Краткая характеристика видов предварительной термической обработки и область их применения представлены в табл.2.

Окончательная (упрочняющая) термообработка проводится для придания требуемых эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость и т.д.) поверхностям деталей машин.

Все детали, подвергаемые окончательной (упрочняющей) термообработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие на трение, поэтому проведенная термообработка должна обеспечить необходимую твердость, износостойкость поверхностного слоя. Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки различного характера: растягивающие, изгибающие, крутящие, контактные.

В деталях, испытывающих в процессе эксплуатации растягивающие и сжимающие нагрузки, напряжения по сечению распределены более или менее равномерно. Для таких деталей применяют сквозную закалку и отпуск.

В деталях, работающих на изгиб, кручение или при высоких контактных нагрузках, сквозное упрочнение сечения не обязательно, но, желательно поверхностное упрочнение при сохранении вязкой сердцевины.

Краткая характеристика видов окончательной термической обработки и область их применения представлены в табл.3.

Таблица 2. Виды предварительной термической обработки

Краткая характеристика и применение

Медленное охлаждение нагретой стали

(с печью, в горячей золе, песке, цементе и т.п.). В зависимости от температуры нагрева подразделяется на полный, неполный, диффузионный и рекристаллизационный

Скорость охлаждения до 50-100С/час для углеродистых и 20-60С/час для легированных сталей, затем на воздухе

Выравнивает структуру по всей площади сечения; снижает твердость и облегчает обрабатываемость; снимает внутренние напряжения; ликвидирует перегрев, измельчая структуру. Применяется для поковок и отливок только из доэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 30-50С выше А С3

Обеспечивает получение зернистого перлита, обладающего лучшей обрабатываемостью, чем пластинчатый перлит. Применяется только для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 30-40С выше А С1

Диффузионный отжиг (гомоге-

Выравнивает химический состав по всему сечению. Отливки из легированных доэвтектоидных сталей

Температура нагрева на 150-200С выше А С3 , с длительной выдержкой

Снимает наклеп, увеличивая пластичность и уменьшая твердость, улучшает обрабатываемость. Все стали после холодной штамповки либо грубой механической обработки

Температура нагрева на 20-50С ниже А С1

Выравнивает и измельчает структуру; улучшает механические свойства стали; разрушает карбидную сетку у заэвтектоидных сталей. Применяется после горячей или грубой механической обработки стали, перед цементацией и после нее

Нагрев на 30-80С выше А С3 (А ст ), охлаждение на спокойном воздухе

Рекомендуемый вид окончательной термообработки для различных деталей автомобилей и дорожных машин представлен соответственно в прил. 5.

Таблица 3. Виды окончательной термической обработки

Режим

Охлаждение стали, нагретой до температуры выше А С1 , А С3 . Повышает твердость, прочность и износостойкость; измельчает структуру. Стали с содержанием углерода менее 0,3% перед закалкой подвергаются поверхностному науглероживанию (цементации), а с содержанием углерода 0,3% и более закаливает без дополнительной обработки. В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную. Широко применяется для всех групп сталей

Скорость охлаждения и охлаждающая среда (вода, масло, воздух и т.п.) назначаются в зависимости от химического состава стали и требований, предъявляемых к детали

Применяется для эвтектоидных и доэвтектоидных сталей, обеспечивая максимально возможную твердость

Температура нагрева на 30-50С выше А С3

Применяется для заэвтектоидных сталей, обеспечивая им максимально возможную твердость

Температура нагрева на 30-50С выше А С1

Повышает твердость только поверхностного слоя. Применяется в тех случаях, когда необходима высокая износостойкость поверхности и мягкая сердцевина детали

Нагрев поверхностного слоя при помощи токов высокой частоты (ТВЧ) или горелок до темпера- туры выше А С3 с последующим быстрым охлаждением

Отпуск

Производится немедленно после закалки, с целью придания стали необходимых механических свойств. В зависимости от температуры нагрева подразделяется на: низкий, средний и высокий

Нагрев ниже А С1 , скорость охлаждения назначается в зависимости от хим. состава

Низкий отпуск

Понижает внутренние напряжения, возникшие в процессе закалки, без заметного снижения твердости и хрупкости. Режущий инструмент, не подвергающийся ударам; измерительный инструмент; поверхности деталей, работающих в условиях трения

Температура нагрева 150-250С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Снижает внутренние напряжения и хрупкость, возникшие в процессе закалки, при некотором понижении твердости. Режущий инструмент, подвергающийся ударным нагрузкам; пружины

Температура нагрева 300-500С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Продолжение табл. 3

Снижает внутренние напряжения и хрупкость, возникшие в процессе закалки; увеличивает вязкость и значительно понижает твердость; после высокого отпуска возможна обработка лезвийным инструментом. Ответственные детали машин; валы, шатунные болты и т.п.

Температура нагрева 500-700С. Для специальных легированных сталей интервал температур иной

Двойная термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска

См. закалку и высокий отпуск

Искусственное старение (прерывистое)

Стабилизирует размеры детали. Применяется после отпуска при обработке особо точных изделий, например, калибров, прецизионных деталей топливной аппаратуры

Нагрев до 110-140С, выдержка 2-3 часа, охлаждение в масле при 20-25С. Операция повторяется 3-4 раза. Иногда заменяется выдержкой до 100ч

Увеличивает твердость, переводя остаточный аустенит в мартенсит. Применяется немедленно после закалки (до отпуска) для деталей ответственного назначения и инструмента, изготовленных из углеродистых и легированных сталей с содержанием углерода свыше 0,6%. После обработки холодом необходим низкий отпуск

Температура охлаждения от –20 до – 100С в зависимости от химического состава стали

Насыщение поверхностного слоя детали углеродом до концентрации 0,8-1%. Обеспечивает получение (после закалки) изделия с высокой твердостью и износостойкостью на поверхности и с вязкой сердцевиной. Применяется для деталей, изготовленных из малоуглеродистых сталей (до 0,25% углерода)

Нагрев деталей в герметически закрытой среде твердого или газообразного карбюризатора на 50-80С выше А С3 , выдержка с медленным охлаждением

Насыщение поверхностного слоя детали азотом после предварительного улучшения. Придает высокую твердость (80-85 HRA), износостойкость и коррозионную стойкость поверхностному слою изделия при минимальном его короблении и не требует последующей обработки

Нагрев деталей в атмосфере аммиака при 500-700С с последующим охлаждением в парах аммиака до 100С

Окончание табл. 3

Одновременное насыщение поверхностного слоя детали N и С. В зависимости от температуры нагрева подразделяется на низкотемпературную (для повышения износостойкости режущего инструмента) и высокотемпературную (для создания износостойких деталей из малоуглеродистых легированных сталей)

Температура нагрева: а) 550-600С без последующей термообработки (низкотемпературная); б) 850-870С с последующей закалкой и низким отпуском (высокотемпературная)

Режимы термической обработки

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения структуры и свойств сплавов. Режимами процесса термической обработки являются: максимальная температура нагрева, время нагрева, время выдержки сплава при температуре нагрева и скорость охлаждения.

Температуру нагрева для различных видов термической обработки назначают: для углеродистых сталей по диаграмме железо-цементит, для легированных сталей – по справочникам или государственным стандартам. Ориентировочно можно использовать диаграмму.

Время нагрева стальных заготовок и деталей до заданной температуры зависит от ряда факторов: химического состава стали, размеров максимального сечения, теплопроводности, площади поверхности контакта с нагревающей средой и т.д.

Ориентировочные нормы времени для нагрева стальных деталей приведены в табл. 4.

Время выдержки изделий при температуре нагрева зависит от многих факторов. Ориентировочно время выдержки деталей и заготовок в пламенных и электрических печах берется в пределах 1,0 1,5 мин на 1 мм сечения детали. Допустимо принимать время выдержки равным 1/5 от времени нагрева. Время выдержки при отпуске назначается в соответствии с табл.5.

Время выдержки при цементации или азотировании назначается в соответствии с требованиями на толщину цементированного или азотированного слоя.

Продолжительность выдержки при цементации в твердом карбюризаторе (с момента достижения температуры цементации 950С) ориентировочно определяется из расчета 0,1 0,15 мм/ч. При газовой цементации (при 950С) продолжительность выдержки берется исходя из опытных данных:

Термическая обработка деталей

Общая характеристика методов термической обработки. Разработка операций термической обработки детали. Температура нагрева, продолжительность выдержки в печи, скорость охлаждения. Оборудование для термической обработки. Дефекты термической обработки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В большинстве случаев подшипники качения работают при малых динамических нагрузках, что позволяет изготовлять их из сравнительно хрупких высокоуглеродистых сталей после сквозной закалки и низкого отпуска. В некоторых областях применения подшипников от материала требуется повышенная динамическая прочность, что заставляет применить высокоотпущенные стали с поверхностной закалкой или цементуемые стали.

Нагрузка, воспринимаемая подшипником качения, передается от одного кольца другому через тела качения — шарики или ролики, разделенные сепаратором. В точках соприкосновения тел качения с кольцами возникают контактные напряжения, вызывающие локальные деформации, в результате которых образуются контактные площадки, в общем случае имеющие форму эллипса.

Работоспособность подшипника характеризуется в первую очередь его статической и динамической грузоподъемностыо. Под статической грузоподъемностью понимают предельную нагрузку, при которой остаточные деформации в зоне контакта не превосходят заданно» величины (обычно около 0,01 % от диаметра шарика или ролики) |3|. Высокая статическая грузоподъемность подшипников достигается благодаря применению дли их изготовления сталей, обработанных на высокую твердость. Динамическая грузоподъемность характеризуется нагрузкой, которая после заданного числа оборотов подшипника не вызывает выхода подшипника из строя по усталостному разрушению в области действия контактных напряжений. Высокая динамическая грузоподъемность также требует обработки деталей на высокую твердость.

Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твёрдом состоянии, для изменения их структуры и получения нужных физико-механических свойств.

Термической обработке подвергают детали и инструменты для повышения твёрдости, прочности и износостойкости, а также заготовки (поковки, отливки и др.) для подготовки к механической обработке.

Цель и задачи работы — научиться правильно разрабатывать технологию и режим термообработки деталей машин (температуру нагрева, продолжительность выдержки в печи, скорость охлаждения); определять режим отпуска согласно требуемых свойств, знать цель и особенность каждого из выбранных видов термообработки.

1. Общая характеристика методов термической обработки

Термическая обработка — это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Цель термообработки — это придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации этих изделий.

Отжигом называется вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений. Цели отжига — снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующим операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный.

Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Изотермический отжиг заключается, в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг заключается, в нагреве стали до 1000-11000С, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Нормализация состоит из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе. Нормализация — это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

Закалка заключается в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки — это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах, ступенчатая и изотермическая. Закалке в одной среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что возникают внутренние напряжения. При закалке в двух средах, изделие сначала охлаждают сначала в одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

Ступенчатую закалку производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне, затем делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм). Для сталей, имеющих небольшую критическую скорость закалки, ступенчатую закалку применяют в основном для изделий большого сечения.

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее на воздухе. Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы. Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например длинные изделия вытянутой формы (свёрла, метчики) погружают в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Поверхностная закалка — нагрев поверхностного слоя при помощи токов высокой частоты (ТВЧ) или горелок с последующим быстрым охлаждением, Повышает твердость только поверхностного слоя. Применяется в тех случаях, когда необходима высокая износостойкость поверхности и мягкая сердцевина детали

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали — снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-2000С. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем отпуске нагрев производится до 350-4500С. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-6500С. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 00С. Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка (ТМО) относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. ТМО делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературной ТМО сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке и низкому отпуску.

При низкотемпературной ТМО сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка и низкий отпуск. Низкотемпературная ТМО получила незначительное применение. Наиболее часто применяют высокотемпературную ТМО. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном снижении пластичности.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, а, следовательно, и всей детали в целом.

Цементация — процесс ХТО, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель — получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8—1 % и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из сталей с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Азотирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель — получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде — нитроцементацией. Цель — получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с 0,2…0,4 % С.

Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости (до 1000 °С), коррозионной стойкости, твердости и износостойкости деталей.