Термообработка деталей машин

Содержание
Введение
1. Общая характеристика методов термической обработки
2. Характеристика материала
3. Разработка операций термической обработки детали
4. Оборудование для термической обработки
5. Дефекты термической обработки
Заключение
Литература

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.

Восстановление деталей машин. Термическая и химико- термическая обработка

Термическая и химико-термическая обработка широко применяются в ремонтном производстве для улучшения эксплуатационных характеристик деталей. Это совокупность термических операций, предназначенных для изменения внутреннего строения (микроструктуры) металла под воздействием изменяющейся по определенному циклу температуры и других факторов с целью придания металлу необходимых физико-механических свойств. Любой процесс термической обработки включает три этапа: нагревание детали с определенной скоростью до требуемой температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение детали в определенной среде с установленной для данного процесса скоростью.

В процессах изготовления и восстановления деталей машин термическая обработка применяется для улучшения обрабатываемости заготовок резанием, устранения внутренних остаточных напряжений и опасности образования трещин в отливках, поковках и сварных изделиях, придания материалу деталей требуемых физико-механических свойств. Термическая обработка является эффективным методом обеспечения и восстановления износостойкости, жаростойкости и других эксплуатационных свойств деталей машин.

Основными видами термической обработки, применяемыми в ремонтном производстве, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение, обработка холодом.

Отжиг — термическая операция, предназначенная для снижения твердости материала детали, увеличения пластичности и вязкости, улучшения его обрабатываемости, а также для устранения неустойчивого состояния металла и снятия в нем внутренних напряжений, образованных при выполнении предшествующих операций (отливка или штамповка заготовки, сварка, черновая механическая обработка и др.). Отжиг происходит в результате медленного охлаждения нагретой до определенной температуры детали вместе с нагревательным устройством. Исходя из решаемых задач, в ремонтном производстве применяют следующие виды отжига: полный, диффузионный, для снятия остаточных напряжений.

Полный отжиг обеспечивается при нагревании изделия до температуры на 30—50 °С выше температур, соответствующих критическим точкам для данного материала, и выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 °С/ч. В результате такого отжига металл приобретает мелкозернистую структуру, повышаются его вязкость и пластичность, снижается твердость, устраняются внутренние напряжения, например в сварных соединениях.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводится при необходимости выравнивания за счет диффузионных процессов химического состава заготовок из легированных сталей, наплавленного материала. Для протекания диффузионных процессов температура нагрева стальных деталей должна составлять 1100—1200 °С. После выдержки в течение 8—15 ч при такой температуре отжигаемые изделия вначале охлаждают вместе с печью до температуры 800—850 °С и окончательно — на воздухе.

Нормализация — термическая операция, включающая нагрев стальных изделий до температуры 750—950 °С, выдержку при этой температуре и последующее их охлаждение на воздухе. Благодаря охлаждению на воздухе длительность процесса нормализации по сравнению с отжигом меньше в несколько раз. Нормализация проводится с целью повышения механических характеристик стали и улучшения ее обрабатываемости резанием, исправления структуры металла после сварки, горячей обработки давлением, а также как подготовительная операция к закалке.

Закалка — наиболее распространенный вид термической обработки, которая выполняется перед окончательной механической обработкой или в конце технологического процесса изготовления (восстановления) детали. Она заключается в нагревании стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем быстром охлаждении со скоростью 150—200 °С в секунду, что приводит к образованию неравновесной структуры материала. В результате закалки повышаются прочность, твердость, износостойкость и предел упругости стали, а ее пластичность снижается. Указанные свойства зависят от охлаждающей среды и скорости охлаждения стали.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло, водомасляные эмульсии и др., имеющие различную охлаждающую способность. Воду применяют для охлаждения углеродистых сталей. Высокая скорость охлаждения деталей в воде может быть причиной возникновения структурных напряжений и образования трещин. Поэтому для деталей из высокоуглеродистых и легированных сталей, а также деталей из углеродистых сталей с поперечным сечением менее 3 мм применяют закалку в машинном масле. Оно обеспечивает меньшую скорость охлаждения деталей, поэтому опасность образования в них трещин резко снижается.

Поверхностная закалка применяется в тех случаях, когда поверхностный слой детали должен иметь высокую твердость и износостойкость, а сердцевина быть вязкой и иметь повышенную усталостную прочность. Такие свойства важны для валов, осей, зубьев шестерен и других деталей, работающих в условиях трения и изгибающих нагрузок. Указанное сочетание свойств обеспечивают закалка токами высокой частоты (ТВЧ), газопламенная и другие разновидности поверхностной закалки.

Отпуск — вид термической обработки, включающий нагревание закаленной стальной детали до температуры, не превышающей 727 °С (обычно в диапазоне от 150 до 650 °С), выдержку и последующее охлаждение с любой скоростью, так как при такой температуре нагрева фазовые превращения в металле не происходят. Отпуск позволяет уменьшить хрупкость и твердость, а также повысить вязкость закаленной стали, снизить или устранить внутренние напряжения, возникающие при закалке. В зависимости от температуры нагревания различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск предусматривает нагревание закаленной детали до температуры 150—250 °С, выдержку (от 0,5 до 1,5 ч) при этой температуре и последующее ее охлаждение в машинном масле или на воздухе. После низкого отпуска твердость поверхности не изменяется, но уменьшаются остаточные закалочные напряжения и несколько повышается вязкость.

Средний отпуск отличается температурой нагрева деталей (300—500 °С). Они приобретают упругие свойства при сохранении высокой прочности. Среднему отпуску подвергают пружины, рессоры, мембраны.

При высоком отпуске детали нагревают до температуры 500—650 °С. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. После улучшения металл приобретает повышенную твердость. Этому виду термической обработки подвергаются ответственные детали машин — валы, зубчатые колеса и др.

Закалка холодом. При закалке холодом деталь, прошедшая обычную закалку, дополнительно подвергается охлаждению до температуры от -40 до -100 °С. В качестве охладителя обычно используется смесь из твердой углекислоты и ацетона, обеспечивающую охлаждение до температуры -78 °С. Закалке холодом подвергаются стали с содержанием углерода более 0,5 %, которые после обычной закалки имеют повышенное количество остаточного аустенита.

Сущность закалки холодом состоит в том, что при отрицательной температуре остаточный аустенит переходит в мартенсит. В результате несколько увеличивается объем детали и благодаря уменьшению количества неустойчивого остаточного аустенита стабилизируются ее размеры. Этот эффект проявляется в большей степени, если обработка холодом проводится сразу после обычной закалки. При этом повышаются также твердость и износостойкость, улучшаются магнитные характеристики металла, а у цементированных сталей возрастает предел выносливости и снижается ударная вязкость.

Увеличение объема обработанной холодом детали используется для восстановления точных изделий, в частности, калибров.

Особенностью химико-термической обработки является то, что необходимые свойства обработанных деталей (износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.) обеспечиваются путем изменения химического состава и микроструктуры поверхностного слоя металла. Это достигается благодаря насыщению его определенными элементами, которые под воздействием температуры образуют с материалом детали твердые растворы или химические соединения, придающие ему требуемые свойства. Тем самым химико-термическая обработка позволяет вместо высоколегированных дорогих применять для изготовления деталей обычные углеродистые стали.

Из методов химико-термической обработки в ремонтном производстве чаще применяются цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация.

Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя детали углеродом при нагревании в среде, содержащей углерод. Цементацию с последующей закалкой и низким отпуском проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя (до 600 НВ) при сохранении твердости (160—170 НВ) и других свойств остального металла. В результате повышаются износостойкость и предел выносливости стальных деталей. Цементации обычно подвергаются так называемые цементируемые стали с содержанием углерода до 0,25 %, например, стали 10, 15, 20, 20Х. Толщина цементированного слоя в зависимости от длительности процесса составляет 0,5—2 мм при концентрации углерода в нем 0,8—1,0 %. Цементацию применяют также и для сталей с содержанием углерода до 0,35 %. В этом случае ее выполняют на меньшую глубину, что позволяет сократить длительность процесса.

Азотирование — процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя стальных и титановых изделий при нагревании их в среде аммиака или в расплаве специальных солей. Обычно применяют аммиак, который при нагревании разлагается, образуя атомарный азот. Азот диффундирует в поверхность детали и при взаимодействии с железом образует нитриды. Благодаря им повышаются твердость, износостойкость, коррозионная стойкость (во влажной атмосфере и пресной воде), усталостная прочность и теплостойкость материала. Детали, прошедшие азотирование, могут работать при температуре до 500—600 °С.

Азотированию подвергают готовые детали, прошедшие закалку с высоким отпуском (улучшение) и окончательную механическую обработку после термообработки. Неазотируемые участки изолируют электролитическим покрытием олова, а отверстия защищают пробками и замазкой. Толщина азотированного слоя в зависимости от температуры и длительности процесса составляет 0,2—0,7 мм. Слой такой толщины не позволяет применять азотированные детали при высоких удельных давлениях, вызывающих его разрушение, что ограничивает область применения азотирования.

По сравнению с цементацией азотирование имеет следующие преимущества: обеспечиваются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя; практически отсутствуют коробления деталей; азотированная поверхность более устойчива к коррозии. Однако азотирование — процесс более длительный и сложный.

Цианирование (нитроцементация) стали — процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стали азотом и углеродом при содержании углерода в материале детали менее 0,4 %. Оно может производиться в твердых, жидких и газообразных средах. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск деталей, в результате которых твердость поверхностного слоя составляет 59—63 HRC_э.

Диффузионная металлизация — процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами в твердых, жидких и газообразных средах при температуре 1000—1200 °С: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование), одновременно хромом и алюминием (хромо-алитирование) или хромом и вольфрамом (хромо-вольфрамирование) и др. В результате диффузионной металлизации повышаются жаростойкость (окалиностойкость), износостойкость, твердость (до HV 2000) и коррозионная стойкость стальных деталей.

Алитирование стали предназначено для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900 °С. Детали засыпают в стальном ящике порошкообразной смесью, компонентами которой являются алюминий (49 %), оксид алюминия (39 %) и хлористый аммоний, нагревают в печи и выдерживают в течение 4—12 ч при температуре 950—1050 °С. В результате детали покрываются тугоплавкая пленкой из оксида алюминия толщиной более 0,1 мм, имеющей температуру плавления более 2000 °С и предохраняющей детали от окисления. Поэтому их можно использовать вместо деталей, изготовленных из жаростойких сталей. Покрытие устойчиво также в газах, содержащих сернистые соединения.