авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный

университет»

А.А. Перебоева

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Курс лекций

Укрупненная группа 150000 – Металлургия, машиностроение и материалообработка

Направление 150100 - Металлургия Факультет Технологический Кафедра Металловедение и термическая обработка металлов, Красноярск 2007 РАЗДЕЛ 1. ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАЗРА БОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРА БОТКИ Лекция 1. Роль термической обработки в повышении качества из делий и снижении металлоемкости машин План лекции 1. Перспективы развития металлических материалов 2. Перспективы развития технологий термической обработки Качество и эксплуатационная надежность промышленных изделий машин, механизмов и приборов – находится в непосредственной зависимости от соответствующих свойств их элементов – деталей, соединений и узлов.

Конструкционные свойства последних связаны, в свою очередь, со свойства ми материала. Статическая и динамическая прочность, сопротивление хруп кому разрушению, задиро- и износостойкость, сопротивление усталостному разрушению, физические, коррозионные, жаропрочные и прочие свойства материала принадлежат к числу основных факторов, определяющих надеж ность и долговечность машин.

Для современного машиностроения и других отраслей металлообраба тывающей промышленности, металлургии, приборостроения характерны вы сокие требования к свойствам материалов, обусловленные возрастающей ин тенсивностью нагружения машин при одновременной тенденции к уменьше нию массы. Во многих случаях характеристики массы приобретают решаю щее значение.

Конструкторы машин при необходимости увеличения прочности и долговечности, прежде всего, увеличивают геометрические размеры с при менением высоколегированных сталей, не используя технологические воз можности.

Например:

1. Конструктивные факторы могут увеличить нагрузочную способ ность редуктора в 1,5-2 раза, а в то же время установлено, что момент, пере даваемый цементованной и закаленной зубчатой парой, в 4-5 раз больше мо мента, передаваемого улучшенной парой тех же размеров;

2. В угольных комбайнах последних марок мощность двигателей и ра бочая скорость увеличились примерно в 1,5 раза, но достигнуто это за счет увеличения модуля зубчатых колес с 10 до 16 мм при использовании высоко никелевых сталей, а срок службы остался небольшим – 6-12 месяцев;

3. Аналогичная тенденция в вопросах повышения долговечности зуб чатых пар и на заводах тяжелого машиностроения;

4. Из-за недостаточной долговечности выпускаемых деталей простои автомобилей составляют примерно до 40%;

почти 40% металлопроката, по требляемого автомобильной промышленностью, расходуется на ремонт ав томашин и при этом на каждом третьем металлорежущем станке проводятся ремонтные работы, в которых занят каждый четвертый рабочий-станочник.

Изменить такое положение можно только за счет термической обра ботки, в результате которой изменяется структура металла, а значит и свой ства. В настоящее время термическая обработка – обязательное звено про изводственного процесса изготовления современных машин, механизмов, приборов и инструментов. При незначительных затратах на термическую об работку (обычно не превышающих 2-10% полной себестоимости) результаты ее могут оказывать большое влияние на коренное улучшение качества метал ла и конкретных изделий.

1.1 Перспективы развития металлических материалов Основным конструкционным материалом в ближайшие десятилетия останутся металлы и сплавы. Выпуск металлов и сплавов в странах с высо ким техническим уровнем производства значительно возрастает;

при этом особенно увеличится выплавка стали, подвергаемой термической обработке.

При этом, если общее производство стали увеличится примерно в 3 раза, то выплавка термически обрабатываемой стали возрастет более чем в 9 раз.

Предусмотрено в 2-3 раза увеличить производство стального литья;

при этом преимущественно будет повышаться (от 60 до 80%) доля производства литья из высоколегированной стали, подвергаемой термической обработке. За лет производство чугунного литья увеличилось в 4-6 раз. В основном возрос ло производство высококачественного чугунного литья (модифицированно го, легированного и ковкого).

За последний тридцатилетний период увеличилось производство цвет ных металлов и их сплавов: меди, алюминия, титана и др. для нужд авиаци онно-космической и пищевой промышленности. При этом основное внима ние будет уделено производству сплавов, подвергаемых термической обра ботке. Так потребление меди и ее сплавов, подвергаемых термической обра ботке, увеличиться от 70 до 90%, а алюминия и его сплавов – от 80 до 90% (по сравнению с общим объемом производства сплавов меди и алюминия).

В ближайшие десятилетия большое внимание будет уделяться выплав ке сталей с узкими пределами содержания углерода, ограниченным содержа нием примесей, а, следовательно, и неметаллических включений (прецизи онные сплавы), а также сталей с регламентированной величиной зерна аусте нита, прокаливаемостью и текстурой. Широкое распространение получит производство сталей высокой чистоты, выплавляемых в вакууме, и после различных переплавов (электрошлаковый, вакуумно-дуговой и др.). Приме нение сталей такого типа повысит надежность и долговечность машин.

Состав цементуемых сталей будет подвергаться корректировке: в них увеличиться содержание углерода, уменьшиться содержание марганца, хром, никеля, они будут дополнительно легированы молибденом и алюминием.

Для изготовления азотируемых деталей предлагается применять хромомо либденованадиевые и хромованадиевые стали.

Для нужд авиационной промышленности и техники высоких темпера тур будет увеличено производство жаростойких и жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, легированных танталом, титаном, хромом, рением, цирконием. Наряду с перечисленными материалами в этих отраслях реко мендуется применять композиционные материалы на основе различных ме таллов. Высокими свойствами обладает алюминий, армированный волокна ми бора, никелевые сплавы, упрочненные волокнами тугоплавких металлов.

Перспективно использовать в различных отраслях промышленности дисперсно-упрочненные композиционные материалы, прочностные свойства которых в 3 раза больше, чем монолитных сталей, а плотность значительно меньше (в 3-4 раза). Дисперсионно твердеющие жаростойкие сплавы в зака ленном состоянии имеют высокую пластичность и хорошо обрабатываются давлением, после старения они имеют высокий комплекс механических свойств, при этом обладают низким уровнем деформации короблением при термообработке.

Перспективно применение изделий из порошковых материалов, обла дающих пониженной теплопроводностью и повышенной склонностью к на сыщению углеродом и азотом при химико-термической обработке. Высокое качество этих изделий обеспечивается применением нагревательных уст ройств регламентирующих состав контролируемой атмосферы и обеспечи вающих изоляцию от воздуха при перемещении изделия в охлаждающее уст ройство.

1.2 Перспективы развития технологий термической обработки Расширение производства полуфабрикатов и изделий из металлических материалов, подвергаемых термической обработке, позволит увеличить их эксплуатационную надежность. Предварительная термическая обработка (отжиги первого рода, нормализация, улучшение) будет проводиться в ос новном на металлургических заводах. При этом наиболее широкое распро странение получит отжиг второго рода с ускоренным охлаждением в интер вале температур Аr3-Аr1. При нагреве под закалку инструменты из быстро режущей стали весьма перспективно применение защитных атмосфер для термообработки с объемным нагревом. Все шире будут применяться различ ные методы термической обработки для стабилизации размеров изделий (подшипники, инструмент, зубчатые колеса и др.). Для повышения эффекта стабилизации размеров предусматривается использование магнитной и ульт развуковой обработок.

Применение термомеханической обработки перспективно использовать не только в металлургической промышленности при производстве проволо ки, лент, труб, арматуры и т.д., но и в машиностроении при изготовлении по ковок и штамповок. При этом значительный эффект ожидается получить от применения защитных сред при нагреве под обработку давлением, а также высокостойкого инструмента.

Перспективно применение кипящего слоя при нагреве и охлаждении деталей. Это позволит в 2-3 раза увеличить скорость нагрева и осуществлять охлаждение с различными скоростями, промежуточными между скоростями охлаждения в воде и масле. Кипящий слой в будущем заменит соляные и свинцовые ванны при патентировании проволоки, при нагреве деталей слож ной формы под закалку, при химико-термической обработке стальных дета лей. В отношении химико-термической обработки перспективно применять в качестве насыщающих сред газовые смеси вместо твердых сред, что ускоряет процесс насыщения в 2-3 раза.

Существенные изменения намечаются в области применения закалоч ных сред. Будут использоваться масла с повышенной закаливающей способ ностью, не дающие пятен и пригаров на поверхности деталей, легко смы вающиеся в водных растворах, со стабильными физико-химическими свойст вами при длительной эксплуатации. Получат распространение водные рас творы с закаливающей способностью, близкой к закаливающей способности масла.

Особенно высокие темпы развития получит применение вакуума при термической обработке. Он будет применяться при нагреве под закалку ин струментальных сталей, при старении цветных сплавов (бериллиевая бронза, сплавы титана, алюминия и др.), для дегазации тугоплавких металлов (заго товки из тантала, ниобия, титана, вольфрама), для нагрева и отжига высоко легированных нержавеющих и жаростойких сталей и сплавов, при пайке цветных и тугоплавких металлов. Для термической обработки жаростойких металлов применяют вакуумные печи с высокими рабочей температурой (2000-3000 оС) и вакуумом (1,310-5-1,310-7 Па).

Новое перспективное направление – это использование вакуумной тех ники при химико-термической обработке, а именно, ионно-плазменная и ионная обработка. Применение этих методов резко ускоряет процессы диф фузии азота, что позволяет сократить время насыщения в 2-8 раз по сравне нию с обычным газовым азотированием. При применении ионной обработки обеспечивается возможность регулирования процессом азотирования, эконо миться насыщающий газ;

недостатками этого метода являются высокая стоимость установок и периодичность процесса. Перспективно применение новых технологических процессов получение многокомпонентных диффузи онных слоев (газовое хромоалитирование, хромосилицирование, хромотита нирование и др.).

Широкое применение в промышленности найдет поверхностная тер мическая обработка со скоростным нагревом, сюда входят методы нагрева:

индукционный, газопламенный, электронным и лазерным лучом, электриче ской дугой. Наиболее широко в промышленности используется индукцион ный нагрев с нагревом токами высокой частоты. Предполагается, что еже годное увеличение термической обработки с индукционным нагревом соста вит около 15%. При этом более широко будут применяться токи средней час тоты и в меньшей степени токи высокой частоты.

Следует отметить, что перспективно применять как для предваритель ной термической обработки, так и для окончательной термической обработки различные виды термомеханической и комбинированной обработок. Сюда входят высоко- и низкотемпературная термомеханическая обработки, термо ультразвуковая обработка.

Контрольные вопросы 1. Перечислите основные свойства материала деталей, определяющие надежность и долговечность работы машин.

2. Укажите конструкторские и технологические методы повышения нагрузочной способности редукторов.

3. Термическая обработка – обязательное звено производственного процесса изготовления машин, механизмов, инструментов. Обоснуйте это утверждение.

4. Основной объем термообработки ложится на изделия из сталей.

Назовите причины такого явления. Укажите, все ли стали проходят термооб работку на металлургических предприятиях.

5. Перечислите перспективные направления выплавки сталей, влияю щие на технологию термической обработки, приведите пример такого влия ния.

6. Перечислите перспективные технологии поверхностной термообра ботки изделий и обоснуйте наилучший с Вашей точки зрения метод.

7. Перечислите перспективные технологии химико-термической обра ботки и выберите из них наилучшую с Вашей точки зрения.

8. Перечислите перспективные технологии объемной термической об работки.

Лекция 2. Принципы разработки технологических процессов тер мической обработки План лекции 1. Основные этапы ТПП. Составление маршрутных технологий 2. Разработка технологии термической обработки Разработка технологических процессов (ТП) термической обработки является составной частью технологической подготовки производства (ТПП), которая осуществляется на основе руководящих документов, объединенных в единую систему технологической подготовки производства (ЕСТПП). Эта система предусматривает организацию и управление процессом ТПП, широ кое применение прогрессивных типовых ТП, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производст венных процессов, инженерных и управленческих работ.

Основное назначение ЕСТПП:

1. Создание для всех предприятий и организаций системного подхода к выбору и применению методов и средств ТПП, соответствующих достиже ниям современной науки и техники;

2. Обеспечение условий производства продукции, требуемой катего рии качества в минимальные сроки, при минимальных трудовых и матери альных затратах на всех стадиях создания нового изделия, включая опытные образцы, а также изделия единичного производства;

3. Организация производства высокой степени гибкости, допускающей возможность непрерывного его совершенствования и быстрого перехода или переналадки на выпуск других изделий.

Цель ТПП – это обеспечение полной технологической готовности предприятия (наличие комплекта технологической документации и средств технического оснащения) к производству изделий высшей категории качест ва в соответствии с заданными технико-экономическими показателями, уста навливающими высокий технический уровень и минимальные трудовые и материальные затраты. ТПП начинается с получения исходных документов на разработку и производство новых изделий, организацию нового и совер шенствование действующего производства.

ТПП включает решение следующих задач:

1. Отработка новых деталей, узлов и др. в целом на их технологич ность;

2. Разработка технологических процессов;

3. Проектирование и изготовление средств технологической оснастки для выполнения термической обработки;

4. Организация и управление процессом ТПП.

Решение задач ТПП должно осуществляться на различных уровнях:

общероссийском, отраслевом и предприятиях.

2.1 Основные этапы ТПП. Составление маршрутных технологий Проектированию ТП термической обработки предшествует разработка технологического маршрута, который осуществляется на основе рабочего чертежа каждой детали. Рабочие чертежи полностью прорабатываются кон структором машины или механизма, и только он в праве изменить заданные требования. Маршрутная технология – это перечень подразделений предпри ятия (цеха, участки, лаборатории), которые участвуют в изготовлении данной детали или изделия, перечень операций и их последовательность.

Первым этапом ТПП является разработка конструкторской документа ции (чертежи деталей, спецификации), количество деталей, ведомости изде лий, изготовленных из специальных материалов и по кооперации, ведомости деталей требующих для изготовления специального оборудования (испыта тельные стенды). Второй этап ТПП включает согласование действий различ ных подразделений, участвующих в изготовлении данного изделия, на пред мет его технологичности. Такое согласование проводится со службами пред приятия с участием главных специалистов (главный технолог, главный ме таллург, главный сварщик и др.).

На третьем этапе ТПП определяется соответствие марки материала с заданными техническими требованиями на деталь, с ее геометрическими размерами на предмет возможности образования деформации, коробления, трещин и чистотой поверхности. Четвертым этапом является уточнение маршрутной технологии предложенной на предварительном этапе.

Место термической обработки в процессе изготовления отдельных за готовок и деталей устанавливается в уточненной маршрутной технологии и предлагается отделом главного технолога. Операции термической обработки стараются провести перед чистовой механической обработкой, если это воз можно. Если термообработка проводится после чистовой механической об работки, то при окончательной термической обработке необходимо учиты вать коробление и деформацию, которые не должны выводить изделия за пределы допуска по размерам. В общем виде целью термической обработки является ликвидация внутренних напряжений детали, улучшение обрабаты ваемости материала, повышение механических свойств изделий до значений, требуемых от них, а также создание специальных свойств. В зависимости от цели и видов термической обработки она может быть предварительной и окончательной, таким видам термообработки может подвергаться одна и та же деталь.

2.2 Разработка технологии термической обработки В соответствии с руководящими документами по ЕСТПП при разра ботке технологических процессов решаются следующие вопросы:

1. Анализ исходных данных (чертеж, программа выпуска изделий, стандарты, справочники);

2. Выбор вида технологического процесса: типового, группового, еди ничного;

3. Выбор исходной заготовки;

4. Разработка операций термической обработки, включая транспорти ровку и контроль качества изделий;

5. Соблюдение требований техники безопасности и экологии при вы полнении технологического процесса;

6. Расчет экономической эффективности разработанного процесса;

7. Оформление технологической документации (технологическая кар та).

Рассмотрим кратко, что включает каждый из семи перечисленных пунктов. При этом следует отметить, что пункты 5 и 6 освещаются и прора батываются соответственно в разделах курсов по технике безопасности, БЖД и экономики, организации производства.

Исходные данные при проектировании термической обработки разде ляются на базовые, руководящие и справочные. Базовые данные – это ин формация, содержащаяся в чертежах деталей, спецификациях, технических условиях на изготовление и годовая производственная программа их выпус ка. Руководящие данные включают в себя информацию из стандартов всех уровней на технологические процессы и методы управления ими, перечень оборудования и оснастки, производственные инструкции, отраслевые руко водящие материалы, информацию из классификаторов. Справочные сведения – это информация, взятая из книг, справочников, каталогов, периодической литературы, данные по ранее разработанным типовым технологическим про цессам, а также методики расчета экономической эффективности, типовые компоновки оборудования.

Выбор вида технологических процессов зависит от особенностей технологического процесса, которые характеризуются возможностью одно временной обработки значительного числа как одноименных, так и разно именных деталей, удобством применения различных приспособлений для термической обработки. Технологический процесс (ТП) может быть: еди ничным, групповым, типовым. При единичном ТП обрабатывается одна или несколько деталей;

при групповом – количество деталей сравнительно неве лико;

при типовом – ведется обработка различных деталей из разных мате риалов по одному ТП. Передовым производством считается такое, где наи более широко используются групповые и типовые технологические процес сы.

Под типизацией ТП понимается выполнение следующего комплекса задач:

1. Классификация заготовок и деталей по конструкторско технологическому подобию. Данная операция выполняется на основании классификаторов изделий;

2. Систематизация и анализ возможных технологических решений по термической обработке изделий для получения заданных свойств;

3. Проектирование (разработка) оптимального для данного производ ства типового процесса термической обработки.

При термической обработке параметрами конструкторского техноло гического подобия являются следующие параметры: вид термообработки (предварительная или окончательная);

операции термообработки;

их назва ние;

параметры: температура нагрева, скорости нагрева и охлаждения и др.;

марка материала;

эффективное сечение изделия;

его габаритные размеры.

При применении типовых или групповых ТП достигается снижение трудо емкости и сокращение сроков ТПП.

Выбор исходной заготовки зависит от этапа проведения термической обработки. Она может выполняться как предварительная, так и окончатель ная. При нагреве и охлаждении изделий всегда происходит изменение его формы и размеров, поэтому предварительную термообработку (ПТО) жела тельно проводить только на заготовках или полуфабрикатах. К ним относятся отливки, штамповки, поковки, прокат, прессованные изделия, все они имеют значительный допуск на размеры и, следовательно, при термообработке воз можно допустить значительные коробление и деформацию.

Окончательную термическую обработку (ОТО) проходят изделия или после предварительной механической обработки или после чистовой мехоб работки, поэтому на эти изделия допуск на коробление и деформацию весьма мал. Необходимо помнить, что при ОТО глубина прокаливаемости должна быть больше, чем допуск на шлифование при чистовой обработке, чтобы не снять весь упрочненный при термической обработке слой. Следовательно, выбор размеров исходной заготовки выполняется при согласовании с техно логическими службами других подразделений.

Разработка операций термической обработки включает в себя на звание этих операций и их параметры. Сюда входит установление темпера туры нагрева, времени нагрева, выдержки и охлаждения, среда нагрева и ох лаждения. Кроме основных операций термической обработки предусматри ваются дополнительные – очистка от окалины или масла, правка деталей, их транспортировка. На каждой операции необходимо предусмотреть контроль качества изделий, оговорив приборы, методы контроля, количество прове ряемых деталей.

Оформление технологической документации выполняется в соот ветствии с требованиями единой системы технологической документации (ЕСТД). Назначением ЕСТД является применение единых форм бланков при оформлении технологических процессов в пределах России;

обеспечение единых требований к заполнению этих бланков, когда вся информация вво дится в них с использованием служебных символов. В соответствии со стан дартами технологическая документация для оформления ТП термической обработки включает документы на единичный и типовой ТП.

Документация для единичного ТП состоит из следующих: титульный лист;

форма 1 – первый лист технологической карты;

форма 1 б – ее после дующие листы. Для типового ТП перечень документов включает следующие:

форма 2 – первый лист технологической карты;

форма 2 б – ее последующие листы;

ведомости деталей, обрабатываемых по типовому ТП;

карты эскизов этих деталей. В технологических картах дается вся информация по операци ям термической обработки, контролю качества изделий и их транспортиров ке.

Контрольные вопросы 1. Организация и управление процессом технологической подготовки производства выполняются в соответствии с..., назначение которой....

2. Перечислите конструкторские документы, которые необходимы технологу-термисту для разработки технологии.

3. Поясните, к какому типу исходных данных относятся: чертеж дета ли, годовая производственная программа и классификатор заготовок.

4. Перечислите факторы, подтверждающие необходимость знания го довой производственной программы при разработке технологии термооб работки.

5. Укажите цель технологической подготовки производства.

6. Поясните, к какому типу исходных данных относятся: методика расчета экономической эффективности, стандарты на стали и технические условия (ТУ) на изготовление.

7. Перечислите вопросы, решаемые при выборе исходной заготовки, и знание, какого из них необходимо для разработки технологии ХТО.

8. Назначение и цель составления технологического классификатора.

9. Укажите параметры, на основании которых разрабатывается типовой технологический процесс.

10. Приведите пример типовой технологии, по которой можно обра батывать детали из разных марок сталей. Назовите основной параметр, по которому выполняется такая типизация.

11. Перечислите документы, установленные ЕСТД при оформлении технологии термообработки.

Лекция 3. Технологичность изделий при термической обработке.

Факторы технологичности: марка материала, форма и размеры изделий, стадия изготовления, технические требования и допуски на параметры План лекции 1.Устойчивость технологического процесса 2. Классификация технологий термической обработки 3. Совместимость процессов термической обработки с другими видами обработок 4. Основные дефекты металлических изделий 5. Выбор технологии термической обработки Технологичность деталей и изделий – это проверка взаимной совмес тимости их конструкции с разработанной технологией получения и возмож ностью обеспечения требуемых свойств наиболее простыми способами при минимальных затратах труда, энергии и материалов. Критерием технологич ности изделий служит их комплексная характеристика, позволяющая устано вить метод выполнения операций с получением заданных свойств, выбрать требуемое оборудование и приспособления, средства механизации и автома тизации.

Степень технологичности определяется характером обрабатываемых деталей (изделий) и зависит от следующих факторов:

1. Марки материала, из которого данная деталь изготовлена;

2. Формы и размеров;

3. Стадии изготовления;

4. Технических требований на свойства и пределов (допусков) на от клонение от них.

Рассмотрим кратко влияние каждого фактора на технологичность дета лей при термической обработке.

Марка материала. Технологичными считаются изделия, изготовлен ные из металлов и сплавов, способных закаливаться в мягких охлаждающих средах или на воздухе, с высокой глубиной прокаливаемости, а также при на греве не склонных к сильному росту зерна, окислению, флокенообразованию.

Применительно к сталям наиболее технологичны материалы, имеющие при нагреве низкую обезуглероживающую способность, не склонные к отпуск ной хрупкости, допускающие непосредственную закалку с температуры це ментации и нитроцементации после подстуживания или даже без него.

Показателем технологичности производства в некотором роде является небольшое количество марок материалов, так как уменьшается число темпе ратурных режимов обработки, что не требует частых перенастроек оборудо вания. Изготовление массивных и сложных по конфигурации деталей из ле гированных сталей является технологичным, так как позволяет получать за данные свойства при закалке в умеренных охладителях, что уменьшает их коробление, при этом сохраняется требуемая прокаливаемость.

Форма и размеры. Детали являются технологичными, если имеют простую форму в большинстве случаев симметричной конфигурации, без вы ступающих острых граней и резких переходов от одного сечения к другому, без значительных различий в массе детали на отдельных ее частях. С целью повышения степени технологичности изделия направляются на термическую обработку без отверстий, канавок, пазов, прорезей и других особенностей их геометрии, в которых концентрируются напряжения при нагреве и охлажде нии (рис. 1). Тонкие длинномерные детали имеют низкую технологичность из-за повышенной склонности к короблению, что требует применения специ ального оборудования или приспособлений при термической обработке.

Рис. 1. Влияние формы деталей на технологичность: а – правильная;

б – неправильная Понятие технологичности изделий применительно к различным опера циям термической обработки не однозначно. Так при высокочастотной за калке сложность формы детали затрудняет проведение процесса, однако при химико-термической обработке (ХТО) сложность формы практически не скажется на трудоемкости ее выполнения. Изделия, имеющие тонкие стенки и переходы, из-за большой хрупкости и опасности получения трещин в про цессе закалки подвергать ХТО нецелесообразно, к таким деталям относятся резьбовые изделия, у которых резьба защищается от насыщения. Если требу ется местное упрочнение детали, то применение высокочастотной закалки более технологично, чем ХТО.

На машиностроительных заводах повышение технологичности изделий ведется в направлении местного упрочнения деталей закалкой токами высо кой частоты (т.в.ч.) с предварительным объемным упрочнением улучшением, вместо трудоемкой ХТО. При этом следует соблюдать следующие простые условия выполнения поверхностного упрочнения т.в.: при обработке ступен чатых валиков должна оставляться незакаленной полоса в месте перехода ступеней;

у деталей с пазами для предупреждения перегрева и оплавления острых кромок в местах перехода стенки детали в паз незакаленным должен быть участок шириной 6-8 мм.

Повышение технологичности за счет изменения формы и размеров из делий иногда достигается применением различных конструкторских, техно логических и организационных мероприятий. Так в некоторых случаях путем не значительного изменения конструкции детали обеспечивается более ус тойчивая к поводке и короблению ее форма.

Стадия изготовления. В целях повышения технологичности выявля ется та стадия изготовления детали, после которой наиболее целесообразна ее термическая обработка. При сложной форме изделия оно запускается на термическую обработку на более ранней стадии изготовления, когда заготов ка имеет значительный припуск, обеспечивающий более устойчивую форму в отношении искажения ее геометрии при нагреве и охлаждении.

На основании выявления закономерностей изменения формы в резуль тате термической обработки некоторых деталей при механической обработке они изготавливаются заведомо неправильной формы с учетом характера этих искажений. Благодаря последующим температурным воздействиям и струк турным изменениям изделия приобретают на последующих операциях тер мообработки нужную форму и размеры, соответствующие чертежу. При вы ходе размеров или деформации изделия за пределы допуска допустимо при менение легкого шлифования готовых деталей. При этом необходимо пом нить, что глубина упрочненного слоя, полученная при термической обработ ке должна быть больше, чем слой, снятый шлифованием.

Технические требования на свойства и пределы допуска на них.

Основным фактором, определяющим выбор технологии термической обра ботки изделий, являются технические требования к их свойствам. Техниче ские требования определяют характеристики качества готовых изделий и ус танавливают порядок и методы их приемки и испытания. На различных ста диях изготовления деталей эти характеристики не равнозначны, есть требо вания на готовые изделия и заготовки (полуфабрикаты) на различных этапах их получения. Основным документом обычно является конструкторский чер теж детали, где указываются технические условия на свойства: твердость, глубина упрочненного слоя, механические характеристики, с указанием кате гории прочности (КП), группы контроля, величины деформации, коробления, чистоты поверхности, наличие вмятин, царапин и других дефектов.

При разработке технологического процесса большое значение имеют допуски по отклонению свойств, геометрии и чистоты поверхности изделий, определяющие как разности между наибольшими и наименьшими показате лями свойств и размеров изделий, и характеризуют требуемую точность из готовления и обработки. Неизбежность отклонений показателей свойств при осуществлении термической обработки обуславливается: колебанием содер жания отдельных химических элементов в различных плавках одной и той же марки;

неодинаковыми условиями изготовления одного и того же изделия на предыдущих операциях (разные смены, времена года, условия обработки);

теплотехническими допусками термического оборудования.

Величина допуска оказывает большое влияние на характер технологии и организацию термической обработки. При значительной величине допуска представляется возможным производить обработку более простым способом с большими отклонениями показателей режимов термической обработки, та кие изделия считаются высокотехнологичными. Для изделий с минимальны ми допусками термическая обработка связана со значительными сложностя ми. Эти изделия являются низко технологичными. В этом случае необходимо предусмотреть механизацию и автоматизацию выполнения всех операций, применение современного оборудования, установленного в поточные линии, что экономически оправдано только в условиях массового и крупносерийно го производства. Поэтому при определении величин допуска необходимо ру ководствоваться не только конструкторскими требованиями, но и экономи ческими соображениями. По величине допуски могут быть широкие, сред ние и узкие (табл. 1). Допуски устанавливаются по всем характеристикам, начиная с марок материалов.

Таблица Характеристика свойств и технологичность Размер допуска Свойства широкий средний узкий Твердость 58 58-62 58- Глубина упрочненного слоя 0,8 0,8-1,2 0,8-1, Технологичность высокая средняя низкая Технологичность, в известной мере, обуславливается масштабом про изводства. Изделия, обладающие высокой степенью технологичности в усло виях массового производства (детали подшипников, мерительный инстру мент и др.), имеющего специальное оборудование и приспособления, оказы ваются низко технологичными в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Устойчивость технологического процесса Устойчивость технологического процесса термической обработки – это однообразное повторение операций с заранее установленными нормами допусков и получение изделий с требуемым уровнем свойств. Обеспечение устойчивого технологического процесса способствует повышению качества, надежности и долговечности деталей машин и механизмов. Повышению этих характеристик способствует:

1. Комплексная механизация и автоматизация технологических про цессов, устраняющая влияние субъективного фактора, обеспечивающая пол ное и однообразное выполнение повторяющихся приемов и технологических параметров для всех изделий, обрабатываемых партиями;

2. Обеспечение устойчивого выполнения предыдущих операций обра ботки (литье, обработка давлением горячая или холодная, механическая об работка);

3. Увеличение объема контроля деталей – переход от выборочного к полному (100%) контролю, а также проведение системных анализов случаев брака.

Третий путь повышения устойчивости считается косвенным, но широ ко применяется в производственных условиях, так как является легко выпол нимым и не требует дополнительных затрат на приборное обеспечение и ос настку для его выполнения.

Устойчивость технологического процесса термической обработки можно оценить количественно, как отношение количества деталей, забрако ванных после термообработки, к общему числу забракованных изделий по всей технологической цепочке их изготовления. Это соотношение будет ха рактеризовать устойчивость только техпроцесса термической обработки. Та ким же путем можно выявить соотношение забракованных деталей, изготов ленных по одному технологическому варианту, по отношению к числу не годных деталей, прошедших обработку по другому варианту процесса. На пример, лабораторные испытания качества шестерен после цементации и по следующей термической обработки показали, что в среднем около 10% от всего количества шестерен имеют неудовлетворительные результаты. Ос новное количество бракованных шестерен не соответствовало требуемой форме и размерам. Замена цементации нитроцементацией позволило снизить количество брака в среднем до 5%. Таким образом, внедрение нитроцемен тации повысило устойчивость технологического процесса при ХТО пример но в 2 раза.

3.2 Классификация технологий термической обработки Все многообразие термически обрабатываемых деталей можно раз группировать по следующим признакам.

По назначению различают изделия основной (товарной) продукции предприятия и вспомогательной - для собственных нужд. Для товарной про дукции предусматривается использование наиболее прогрессивной техноло гии и оборудования для ее выполнения. Изделия для собственных нужд про ходят термическую обработку по разовой (временной) технологии с исполь зованием простых способов и универсального оборудования по технологиче ским схемам, уже освоенным предприятием.

По марке материала, форме, размерам и массе оценивается характер изделия. В зависимости от материала изделия изготовляются из стали, чугу на, цветных металлов и сплавов, из порошков и т.д. Марка материала частич но может характеризовать вид обработки – цементуемые, улучшаемые стали;

упрочняемые неупрочняемые термической обработкой алюминиевые сплавы.

Для деталей из сталей практически возможно применение всех известных видов термообработки и ХТО, а для изделий из цветных сплавов в основном используется три вида – это отжиги, закалка, старение. Форма, размер и мас са деталей обуславливает тип оборудования, систему загрузки, выгрузки, схему укладки садки. Изделия, склонные к короблению и деформации пред полагают прежде всего применение ступенчатого или изотермического на грева или закалки т.в.ч.

По стадии изготовления детали разделяются на заготовки (отливки, штамповки, горячекатаный прокат), полуфабрикаты (детали после предвари тельной механической обработки, прессовки, проволока, холоднокатаный прокат) и готовые изделия. Для заготовок предусматривается обычно ПТО – это различные виды отжигов или термо-механическая обработка с целью улучшения обрабатываемости резанием или холодной обработкой давлени ем, снятия напряжений, а также подготовки структуры к ОТО. Готовые дета ли проходят ОТО – это различные способы термического упрочнения или ра зупрочнения в зависимости от требований конструкторского чертежа. Полу фабрикаты подвергаются ПТО, ОТО или термическая обработка может от сутствовать, это связано с техническими требованиями к ним и тем, что он может являться как заготовкой для дальнейшей обработки так и готовым из делием, что характерно для металлургических заводов.

По характеру производства оно может быть единичным, мелко-, средне-, крупносерийным и массовым. При единичном производстве по воз можности применяются прогрессивные технологии, но допускаются и "де довские" с использованием для их выполнения универсального оборудования периодического действия. В случае массового производства изделий необхо димо предусматривать самые прогрессивные технологии и современное обо рудование, скомпонованное в автоматические поточные линии с полной ме ханизацией всех процессов. Для остальных типов производства рекоменду ется применять промежуточные варианты технологии и оборудования.

3.3 Совместимость процессов термической обработки с другими видами обработок Совмещение термической обработки с другими операциями обеспечи вает получение прогрессивных, экономически выгодных технологий. В пер вую очередь сюда следует отнести все способы термомеханической обработ ки (ТМО) – это и высокотемпературная и низкотемпературная ТМО. К высо котемпературной ТМО следует отнести закалку с нагрева под прокатку, ков ку, горячее прессование. Использование тепла предыдущих операций воз можно и при нормализационном отжиге сталей с регламентацией при этом скорости охлаждения применение вентилятора или на спокойном воздухе.

Закалку наследственно мелкозернистых сталей рекомендуется прово дить с цементационного или нитроцементационного нагрева после подсту живания, что существенно уменьшает деформацию и коробление изделий, так как отсутствует дополнительный высокотемпературный нагрев под за калку. Экономически выгодно после индукционной закалки т.в.ч. применять для закаленной поверхности изделий самоотпуск, при котором используется тепло, сохраненное в центральных частях детали.

3.4 Основные дефекты металлических изделий Дефекты металлических изделий делятся на металлургические, литей ные, и приобретенные при термической обработке. Рассмотрим основные из них: к металлургическим относятся зональная и дендритная ликвации, неме таллические включения, флокены;

к литейным – холодные и горячие трещи ны поры раковины;

к приобретенным при термической обработке – пере грев, пережог, обезуглероживание.

При кристаллизации сталей и сплавов в литых изделиях наблюдается зональная и дендритная неоднородность. Очень часто этому явлению со путствует микро- и макронеоднородность по пористости и пузырям. Сплавы с таким строением структуры при деформации склонны к образованию во локнистой структуры, полосчатости, карбидной неоднородности. Строчеч ность и волокнистость обуславливают анизотропию свойств вдоль и поперек направления деформации, нестабильность характеристик изделий при повы шенных температурах, пониженную пластичность.

Борьбу с зональной ликвацией следует вести путем воздействия на процессы кристаллизации при литье, а также подбором соответствующих па раметров горячей пластической деформации. Уменьшить дендритную ликва цию слитков и отливок можно проведением гомогенизационного отжига.

Неметаллические включения являются продуктами реакций, проис ходящих в процессе выплавки и раскисления сплавов. Кроме того, они попа дают в слиток из футеровки и шлака. Основные виды включений: окислы (FeO, MnO, Al2O3 более сложные), силикаты (SiO2) деформируемые и неде формируемые и сульфиды (FeS, MnS и др.). После прокатки эти включения часто приобретают строчечное расположение, что вызывает различие свойств вдоль и поперек изделий. Кроме того, они могут стать причиной расслоения металла и образования волосовин. Тщательное раскисление и рафинирование расплавов является основным методом уменьшения неметаллических вклю чений. Кроме того, для сталей применение различных способов переплава (вакуумно-дуговой, электрошлаковый и др.) снижают содержание в них серы и фосфора, являющихся основными причинами образования включений.

Флокены представляют собой мелкие трещины, а при совпадении из лома с плоскостью трещины имеют вид белых пятен овальной формы разме рами от 0,5 до 50 мм. Ширина трещин достигает сотых долей миллиметра.

Данные дефекты подобны острым надрезам, резко снижающим механические свойства и эксплуатационную стойкость деталей, поэтому их присутствие в изделиях не допустимо. При обнаружении флокенов, как правило, бракуется вся плавка.

К образованию флокенов склонны легированные (хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.) стали после горячей пластической дефор мации. Эти дефекты редко встречаются в сталях с аустенитной, ледебурит ной и ферритной структурой. Они встречаются в основном в центральных зонах массивных изделий, поэтому с ростом размеров деталей их число рас тет.

Причиной образования флокенов считается повышенное содержание водорода (выше 3-4 см3/100 г металла), а при значительной ликвации леги рующих элементов и при меньших его количествах. При охлаждении мас сивных стальных изделий растворимость водорода в железе падает. Он, вы деляясь из твердого раствора, накапливается на дефектах кристаллической решетки, межфазных границах, дислокациях и переходит из атомарной фор мы в молекулярную, которая не способна к диффузии. Скопления водорода резко повышает давление, которое вызывает разрывы и образование трещин.

Резкий скачок в снижении растворимости водорода происходит при превращении, при этом скорость диффузии водорода в -фазе возраста ет. Поэтому борьбу с флокенами ведут, замедляя скорость охлаждения при фазовом переходе или проводя изотермическую выдержку при превра щении, выполняя противофлокеновый отжиг.

Литейные трещины могут быть горячими и холодными. Горячие трещины образуются при высоких температурах, имеют неровную сильно окисленную поверхность и проходят по границам зерен (интеркристаллит ные). Причина образования концентрация напряжений в отдельных частях отливки из-за неправильно сконструированной литейной формы. Основной метод борьбы является рациональная конструкция формы, регулирование подвода жидкого металла установка холодильников. Холодные трещины возникают при охлаждении отливок из-за термических напряжений. Трещи ны прямолинейны, незначительной ширины проходят в основном по зерну сплава (транскристаллитные). Основная причина их образования связана с неодинаковой скоростью охлаждения тонких и массивных частей отливок.

Способом устранения холодных трещин является регулирование скорости охлаждения или применение изотермических выдержек.

Дефектами, приобретенными при термической обработке, являются перегрев, пережог, обезуглероживание. Перегрев ведет к росту зерна, что по нижает пластичность и вязкие свойства деталей. Перегрев в сплавах с фазо вой перекристаллизацией можно исправить отжигами второго рода, в одно фазных сплавах холодной деформацией, если это возможно с последующим рекристаллизационным отжигом.

Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода по грани цам зерен и образования окислов разъединяющих зерна при высоких темпе ратурах сплава (близких к линии солидуса), при этом резко падает прочность, а пластичность практически равна нулю. Пережог является неисправимым браком, изделия отправляются в переплавку.

Обезуглероживание поверхности стали вызывается кислородом, со держащимся в продуктах сгорания топлива или попадающим в печь вследст вие подсоса воздуха. Из конструкционных сталей наиболее чувствительны к обезуглероживанию кремнистые стали. Снижение содержания углерода в по верхности стали понижает ее износостойкость, твердость, усталостную проч ность. Основным способом борьбы с этим дефектом является использование при нагреве контролируемых атмосфер или соляных ванн.

3.5 Выбор технологии термической обработки Все многообразие термически обрабатываемых деталей можно раз группировать по следующим признакам.

По назначению различают изделия основной (товарной) продукции предприятия и вспомогательной - для собственных нужд. Для товарной про дукции предусматривается использование наиболее прогрессивной техноло гии и оборудования для ее выполнения. Изделия для собственных нужд про ходят термическую обработку по разовой (временной) технологии с исполь зованием простых способов и универсального оборудования по технологиче ским схемам, уже освоенным предприятием.

По марке материала, форме, размерам и массе оценивается характер изделия. В зависимости от материала изделия изготовляются из стали, чугу на, цветных металлов и сплавов, из порошков и т.д. Марка материала частич но может характеризовать вид обработки – цементуемые, улучшаемые стали;

упрочняемые неупрочняемые термической обработкой алюминиевые сплавы.

Для деталей из сталей практически возможно применение всех известных видов термообработки и ХТО, а для изделий из цветных сплавов в основном используется три вида – это отжиги, закалка, старение. Форма, размер и мас са деталей обуславливает тип оборудования, систему загрузки, выгрузки, схему укладки садки. Изделия, склонные к короблению и деформации пред полагают, прежде всего, применение ступенчатого или изотермического на грева или закалки т.в.ч.

По стадии изготовления детали разделяются на заготовки (отливки, штамповки, горячекатаный прокат), полуфабрикаты (детали после предвари тельной механической обработки, прессовки, проволока, холоднокатаный прокат) и готовые изделия. Для заготовок предусматривается обычно ПТО – это различные виды отжигов или термомеханическая обработка с целью улучшения обрабатываемости резанием или холодной обработкой давлени ем, снятия напряжений, а также подготовки структуры к ОТО. Готовые дета ли проходят ОТО – это различные способы термического упрочнения или ра зупрочнения в зависимости от требований конструкторского чертежа. Полу фабрикаты подвергаются ПТО, ОТО или термическая обработка может от сутствовать, это связано с техническими требованиями к ним и тем, что он может являться как заготовкой для дальнейшей обработки, так и готовым из делием, что характерно для металлургических заводов.

По характеру производства оно может быть единичным, мелко-, средне-, крупносерийным и массовым. При единичном производстве по воз можности применяются прогрессивные технологии, но допускаются и «де довские» с использованием для их выполнения универсального оборудова ния периодического действия. В случае массового производства изделий не обходимо предусматривать самые прогрессивные технологии и современное оборудование, скомпонованное в автоматические поточные линии с полной механизацией всех процессов. Для остальных типов производства рекомен дуется применять промежуточные варианты технологии и оборудования.

Кроме того, при каждом виде термической обработки может возник нуть какой-либо дефект. Кратко рассмотрим наиболее часто встречающие, его влияние, причины образования и способы их устранения. В том случае, когда причиной дефекта является ошибка технологии или неправильное ве дение заданного процесса, причина не всегда может быть однозначно уста новлена.

Контрольные вопросы 1. Укажите служебные символы, применяемые при оформлении тех нологических карт термообработки, и какая информация должна в них со держаться.


2. Оцените степень технологичности сталей марок 20, 25ХГТ, 20Х2Н4А с указанием более технологичной.

3. Оцените степень технологичности по размерам и форме детали, для которой Вы разработали технологию ХТО.

4. Оцените степень технологичности по стадии изготовления де тали, для которой Вы разработали технологию ХТО.

5. Оцените степень технологичности по показателям технических тре бований детали, для которой Вы разработали технологию ХТО.

6. Перечислите причины неизбежности отклонений показателей свойств и необходимости допуска на свойство.

7. Укажите зависимость выбора технологии термообработки от назна чения изделия.

8. Укажите зависимость выбора технологии термообработки от разме ра, формы и массы изделия.

9. Укажите зависимость выбора технологии термообработки от мате риала изделия.

10. Укажите зависимость выбора технологии термообработки изделия от стадии общепроизводственного процесса его изготовления.

11. Укажите зависимость выбора технологии термообработки от тех нических требований на двух конкретных примерах.

12. Оцените устойчивость разработанного Вами технологического процесса ХТО.

Лекция 4. Организация контроля процессов термической обработ ки. Анализ причин брака План лекции 1. Контроль качества термической обработки. Виды контроля 2. Выбор объектов и средств контроля 3. Управление качеством продукции за счет контроля процессом Дефекты при термической обработке могут быть обусловлены раз личными причинами. В одном случае эти причины непосредственно связа ны с процессом термообработки, а в другом – с характером стали, конст рукцией детали или технологией ее изготовления. Дефекты при проведении термической обработки могут возникнуть в связи с нарушением заданного режима нагрева или охлаждения, повышением или понижением (по отно шению к заданной) температуры и времени выдержки, неправильной за грузкой деталей в печи, неверным выбором атмосферы. К дефектам, свя занным с условиями производства деталей, относятся ошибка в выборе ма териала, дефекты изготовления.

Таблица Дефекты, возникающие при отжиге Характеристика Сталь Последствия дефекта Метод устранения дефекта 1.Высокий уровень оста- Опасность образова- Отжиг для снятия напряжений Любая точных напряжений ния трещин при рабо те 2.Неоднородный рост При холодной дефор- Рекристаллизационный отжиг Сталь зерна (разнозернистость) мации поверхностные или нормализация дефекты и трещины 3. Феррит по границам Пониженная ударная Соблюдение режима нормали Сталь зерен или в виде видман- вязкость, опасность зации,проведение повторной штетта хрупкого разрушения обработки 4.Повышенное содержа- Опасность образова- Сфероидизирующий отжиг с Сталь ние грубого перлита вме- ния трещин при рабо- оптимальными параметрами сто зернистого те пружины Таблица Дефекты закалки и улучшения Характеристика Сталь Последствия дефекта Метод устранения дефекта 1. Смешанная структура мар- У8 Пониженная износо- Закалка с более интенсив тенсита и троостита стойкость ным охлаждением 2. Крупные карбидные части- 40ХС Пониженный предел Повторная закалка с отпус цы прочности ком по оптимальным пара метрам 3.Неполная закалка с сильным 50ХН Разрушение боковых Изменить марку стали на карбидообразованием при от- поверхностей зубьев сталь 45 и провести закал пуске шестерен ку т.в.ч. с низким отпуском Таблица Дефекты при химико-термической обработке Характеристика Сталь Последствия дефекта Метод устранения дефекта 1.Пониженная глубина 18ХГТ Продавливание слоя Повторная ХТО с уменьшен насыщения 20ХН3А при работе ным временем 2.Повышенная глубина То же Повышенная хруп- Если возможно, легкое шлифо при насыщении кость слоя вание, если нет –брак 3.Образование карбидной То же То же Выполнять ХТО с соблюдени сетки ем параметров Выяснение причин появления дефектов и их систематизация произво дится в результате анализа условий их образования или причин брака. Это требует систематической работы, так как происхождение дефектов обычно связано со многими причинами. Анализ причин брака рекомендуется прово дить по следующей схеме (рис. 2).

Брак Результаты осмотра 1 Описание вида брака 2 Документация на бракованное изделие 3 Анализ появления брака (субъективная и объективная информация) 4 Контроль ритма работы и Начало поверочных работы установки, отдельных испытаний деталей и узлов 5 Исключение причин или сужение области возможных причин Заключение Отчет Выявлены ли Конец Статистическ причины брака?

ий анализ Установление перечня исследований, необходимых для ликвидации брака деталей Описание термообработанной детали Результаты осмотра 1 Документацию (макроснимки) взять из результатов осмотра I 2 Просмотр предписаний по снижению брака 3 Анализ проведенной термообработки (субъективная и объективная информация) 4 Технологические основы данной термообработки 5 Собственный опыт и опыт других заводов, касающийся возможных причин брака Заключение Отчет Выявлены ли причины Конец брака? Статистический анализ Проведение проверочных исследований 1 Определение требуемых величин 2 Неразрушающий контроль 3 Качественный контроль состава материала 4 Исследование структуры с помощью оптического микроскопа Выявлены ли причины брака Заключение Отчет Конец Статистический анализ Продолжение исследований с большими затратами Количественный химический анализ Определение механических свойств в различных местах по поперечному сечению Электронномикроскопические исследования Рентгенографические исследования Количественный металлографический анализ Конец Оценка результатов исследований и заключений 1 Оценка данной термообработки в Отчет по исследованию сравнении с предписаниями технологии Статистический анализ Выводы о влиянии состояния технологии на 2 образования дефектов или свойства детали брака Описание дефектов термообработки с указанием их причин и способов устранения Введение производственных Соотношение между состояниями данной 4 мероприятий для термообработки и возникновением брака предотвращения брака Рис. 2. Блок-схема анализа причин брака 4.1 Контроль качества термической обработки. Виды контроля Качество продукции формируется в процессе всего цикла производства деталей, и в этой связи возникает необходимость в управлении качеством.

Контроль качества является мощным средством совершенствования любого технологического процесса, в том числе и термической обработки. В соот ветствии с ГОСТ 7342-79 техническим контролем называется проверка соот ветствия процессов обработки и их результатов техническим требованиям.

Таким образом, объектом контроля являются исходные материалы, техноло гические процессы термической обработки, а также готовая продукция. К обязательным показателям процесса контроля относят: точность измерений, их достоверность и надежность, а также трудоемкость и стоимость.

Качество термической обработки может характеризоваться микро структурой, твердостью, глубиной (толщиной) поверхностного слоя, механи ческими, физическими и другими специальными свойствами, геометриче скими параметрами изделия и т.д. Контроль проводится в соответствии с нормативно-технической документацией (ГОСТы, ОСТы и др.), по требова ниям которой поставляется данная продукция предприятия. В технических условиях кроме параметров контроля оговариваются также методики и при способления для его проведения, объем проверяемых деталей (процент от садки или партии), допускаемый разброс в свойствах.

Согласно ГОСТ 14.318-83 установлены следующие виды технического контроля. По этапу процесса производства контроль бывает: входной, опе рационный, приемочный. По полноте охвата контролем: сплошной, выбо рочный, непрерывный, периодический, летучий.

Во входном контроле проверяется наличие сопроводительной доку ментации, ее соответствие поставляемой продукции, количество деталей, их маркировка, форма, размеры, качество на предмет отсутствия дефектов от предыдущих операций и, полученных при транспортировке. Марка материа ла полученных изделий может быть проверена по маркировке на деталях или бирках, а также при контроле спектроскопическим методом. Эта проверка выполняется редко, в случае нестабильности производства или при переходе к новому поставщику.

Операционный контроль предусматривает проверку качества выполне ния каждой операции обработки. Так при контроле параметров закалки про веряется время нагрева (подогрева), выдержки, охлаждения;

температура на грева (подогрева), охлаждающей жидкости;

среда нагрева и охлаждения. За тем возможна проверка качества обрабатываемых деталей, эта операция мо жет отсутствовать при наличии устойчивого технологического процесса, и выполняется, как правило, в единичном или мелкосерийном производстве.

Приемочный контроль включает проверку всех параметров качества, которые оговорены чертежом детали, независимо от того проверялись ли эти характеристики при входном или операционном контролях. Данный этап контроля вводится после завершающей операции обработки. На готовых де талях технические требования кроме чертежа дополнительно оговариваются в нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, ТУ и др.), где указывается группа испытаний.

При оценке качества металлических материалов предусматривается пять групп испытаний. В первой группе оценивается только химический со став металла или сплава. Вторая группа оговаривает проверку твердости.

Третья группа испытаний предусматривает контроль химического состава и твердости материала. Четвертая и пятая группы указывают на необходимость проверки химического состава, твердости, ударной вязкости и механических характеристик, определяемых при испытании на растяжение. В четвертой группе свойства оцениваются на 1-3 деталях от партии (плавки), в пятой – на 100% изделиях. При таких требованиях все детали пятой группы испытаний имеют напуск длиной 200-250 мм, из которого изготавливают образцы для разрушающих испытаний. Этот напуск проходит все этапы изготовления де талей и только после окончания обработки из него готовят образцы.


По полноте охвата установлены четыре категории контроля (табл. 5), определяющие его объем.

Таблица Категории контроля Категория Сплошной Выборочный Непрерывный Периодический Летучий 1 А Г Б А Г 2 Б А В А В 3 В А В Б Б 4 Г А Г Б А А – вид контроля используется всегда, объем составляет от 50 до 100%;

Б – вид контроля используется часто, объем – от 10 до 50%;

В – вид контроля используется редко, объем - от 10 до 50%;

Г – вид контроля практически не используется, объем - менее 1% объектов контро ля.

Объем контроля кроме категории определяется также типом производ ства, применяемым оборудованием и устойчивостью технологического про цесса. Так в единичном производстве необходимо проводить сплошной или выборочный контроль деталей каждой садки. В массовом производстве при применении полностью автоматизированного оборудования и высокой сте пени устойчивости технологического процесса возможен переход к выбо рочному контролю с резким сокращением количества проверяемых деталей.

Например, на автомобильном заводе при массовом характере производства:

1. Глубину цементованного слоя проверяют на 1 детали через 4 ч;

2. Твердость сердцевины контролируется по Роквеллу на 2 деталях це лых или порезанных через 4 ч;

3. Твердость поверхности - после закалки и отпуска (пресс Роквелл) на 2 изделиях через 2 ч;

4. Твердость поверхности после цементации - на 4-5 деталях с каждого поддона.

Параметры процессов ХТО проходят контроль два раза в неделю, про веряются температура процесса, его длительность, расход газов для получе ния насыщающей среды, состав полученной среды.

В практике термической обработки находят широкое применение ста тистические методы контроля, основанные на теории вероятности и матема тической статистике. Обычно статистический контроль в производстве мо жет осуществляется на любом этапе производства (входной, операционный, приемочный). Такая обработка нужна в тех случаях, когда необходимо знать стабильность (устойчивость) технологического процесса термической обра ботки.

Набор экспериментальных данных по контролируемым характеристи кам изделий за какой-то период работы представляется в виде функций час тоты, то есть строиться нормальное распределение Гаусса. Качество изделий при такой статистической обработке будет характеризоваться величиной от клонения контролируемого свойства (максимальная частота) от заданного в нормативно-технической документации, а также распределением фактиче ских значений вокруг математически ожидаемой величины через рассеяние.

Изделия, свойства которых по кривой Гаусса находятся за пределами допус ка, являются бракованными. Их доля определяет экономическую эффектив ность данного технологического процесса.

4.2 Выбор объектов и средств контроля Выбор объектов (параметров) контроля определяется требованиями чертежа и нормативными документами, надежностью и долговечностью вы пускаемых изделий, а также уровнем технологии. Выбор средств техническо го контроля основан на обеспечении заданных показателей процесса контро ля и анализе затрат на его реализацию в установленный промежуток времени при заданном качестве. Обязательными показателями процесса контроля яв ляются:

1. Точность измерений;

2. Достоверность показаний;

3. Трудоемкость проведения;

4. Стоимость процесса.

Наиболее распространенными объектами контроля в термических це хах являются твердость, глубина поверхностного слоя, микроструктура, ме ханические свойства, температура и среда нагрева, охлаждения, скорости на грева, охлаждения. Общепринятыми методами измерения твердости являют ся методы Бринелля и Роквелла соответственно ГОСТ 9012-59 и ГОСТ 9013 59. По методу Бринелля измеряют твердость стальным закаленным шариком, поэтому оговаривается предел замера не более 450 НВ. При способе замера твердости по Роквеллу используется в качестве индентора алмазный конус, поэтому этот метод позволяет замерять высокотвердые материалы до 70HRC.

Для обоих способов оборудованием являются пресса различных типов. На пример, измерение твердости деталей после ХТО при слое глубиной свыше 0,5мм производится на твердомере типа 2090Р (ТК-2М) с нагрузкой 150 кгс, а при глубине менее 0,5мм при нагрузке 60 кгс или на приборах Виккерса, микротвердомерах.

Методы измерения твердости способом Бринелля и Роквелла весьма трудоемки и не всегда гарантируют высокую точность контроля, так как ре зультаты измерений сильно зависят от качества зачистки площадки замера.

Операция зачистки выполняется на наждачных станках и является тяжелой и вредной для здоровья рабочего операцией, кроме того, требует от него высо кой квалификации и навыка. Наиболее перспективными способами являются неразрушающие методы определения твердости.

Проверка глубины слоя, микроструктуры проводится на специально вырезанных и подготовленных шлифах под микроскопом. Механические свойства определяются на специальных стандартных образцах с применени ем разрывных машин или маятниковых копров. Многие способы контроля качества металлоизделий связаны с разрушением деталей и пригодны лишь для выборочного контроля. Поэтому рекомендуется применять неразрушаю щие методы контроля деталей, которые могут обеспечить 100%-ную провер ку. К тому же большинство методов являются высокопроизводительными и сравнительно просто автоматизируются, поэтому применение их экономиче ски выгодно в крупносерийном и массовом производстве.

В промышленности наибольшее распространение получили вихрево токовый и ультразвуковой неразрушающие методы контроля. Вихрево токовый метод имеет высокую точность измерений, большую скорость про верки, полную автоматизацию. При этом методе сравнивают величину про веряемого параметра с его значением, полученным на эталонных образцах.

Метод основан на том явлении, что величина вихревых токов зависит от фи зических свойств материала и в первую очередь от электропроводности и магнитной проницаемости, которые в свою очередь определяются химиче ским составом и структурным состоянием сплава.

Прогрессивным способом неразрушающего контроля толщины цемен тованного или нитроцементованного слоя является измерение твердости пу тем последовательного вдавливания алмазного конуса при двух нагрузках:

первая равна 187,5 кгс, вторая – 1 000 кгс на приборе Бриро-Е. Этими мето дами определяются твердости, а затем по таблицам находится глубина слоя.

Глубина упрочненного слоя при закалке т.в.ч. определяется или вихрево токовым методом, или на деталях с их разрезкой в количестве одно изделие в три месяца. Глубина азотированного слоя проверяется только на образцах свидетелях, которые обрабатываются вместе с изделиями.

4.3 Управление качеством продукции за счет контроля процессом В разных термических операциях показатели качества зависят в основ ном от нескольких параметров. Наиболее важными из них являются темпера тура и время, а также состав атмосферы в печи или расплава в ванне. Между внешними воздействующими факторами, способами выполнения операций и длительностью обработки устанавливаются и строго поддерживаются опре деленные количественные соотношения. И при изменении хотя бы одного из названных факторов во избежание погрешностей необходимо провести кор рекцию показателей других факторов.

Такая необходимость объясняется тем, что в каждый отдельный отре зок времени в термическом оборудовании (печи) устанавливается определен ное энергетическое равновесие между количеством получаемого и потреб ляемого тепла. В случае нарушения этого равновесия энергетическая система оборудования самопроизвольно стремится его выровнять за счет изменения либо температуры рабочего пространства, либо скорости нагрева деталей.

Так при уменьшении размера садки, но при сохранении прежней длительно сти и температуры может произойти перегрев деталей, а при повышении массы – недогрев. Поэтому необходимо выполнять загрузку одинаковых пар тий деталей по массе, способу укладки, расчетному сечению. Контроль каче ства металлоизделий относится к прямым (непосредственным) методам управления качеством продукции Контроль процесса термической обработки является косвенным мето дом управления качеством продукции. Частота проверки параметров термо обработки в первую очередь определяется степенью автоматизации и меха низации оборудования для ее проведения, а также устойчивостью техноло гического процесса.

Контрольные вопросы 1. Укажите виды контроля и их принципиальные отличия.

2. Объем контроля качества деталей определяется....

3. Укажите параметр контроля качества деталей и варианты, когда про веряют 100% и 1% деталей.

4. Укажите три способа контроля глубины слоя после ХТО.

5. Перечислите три способа неразрушающего контроля качества дета лей.

6. Начертите график термообработки, стабилизирующей прокаливае мость деталей из сталей 25ХГМ, 25ХГТ, и укажите назначение такой термо обработки.

7. Опишите способ обработки, уменьшающей в 2 раза изменение раз меров шестерен при нитроцементации, и укажите явление, лежащее в основе этого способа.

8. Перечислите способы предварительной термической обработки (ПТО) для повышения свойств готовых изделий.

РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОЛОГИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМООБРА БОТКИ Лекция 5. Технологические задачи и характеристика предвари тельной термической обработки План лекции 1.Технологические задачи и характеристика предварительной термиче ской обработки 2. Виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизаци онный, сфероидизирующий, низкий, нормализационный К технологическим задачам предварительной термической обработки (ПТО) относятся:

1. Улучшение технологичности при производстве деталей обработкой резанием, холодной и горячей пластической деформацией;

2. Повышение точности геометрии изделий за счет уменьшения ко робления и деформации при окончательной термической обработке (ОТО).

Ускорение процессов диффузии при ОТО;

3. Улучшение свойств готовых деталей путем воздействия на микро структуру (размер зерна, создание определенной субструктуры, распределе ние избыточных фаз).

Следовательно, создание технологических процессов ПТО улучшает свойства готовых изделий и облегчает условия их изготовления в производ стве, являясь при этом важной инженерной и научной задачей.

ПТО для улучшения обрабатываемости резанием сплавов исполь зуется с целью повышения производительности труда при выполнении этой операции, что важно в условиях массового и крупносерийного производства, и улучшения качества поверхности изделий. Около 45% автомобильных де талей и сельскохозяйственных машин изготавливается операциями обработ ки резанием.

Обрабатываемость материалов резанием в основном характеризуется силой и скоростью резания, качеством обрабатываемой поверхности, видом образующейся стружки. Все эти факторы зависят от свойств обрабатываемо го материала, которые определяются его структурой. При этом микрострук тура является основным фактором, влияющим на обрабатываемость. Можно подбирать новые инструменты, смазывающие и охлаждающие жидкости, од нако правильно подобранный режим термической обработки с получением требуемой структуры гораздо важнее экспериментов с изменением режимов механической обработки.

Например, некоторые детали автомобиля изготавливают из чугуна. По сле изучения влияния его микроструктуры на обрабатываемость установлено, что:

1. Ферритная и перлитная структуры с грубыми карбидными частица ми приводит к быстрому изнашиванию режущего инструмента;

2. Значительное количество феррита снижает износостойкость инст румента и повышает склонность к налипанию стружки на него;

3. Чисто перлитная структура снижает производительность при обра ботке резанием;

4. Грубые частицы графита способствуют выкрашиванию и ускорен ному износу инструмента;

5. Оптимальная структура должна содержать регламентированные по форме и размеру включения графита и карбидов, оговоренное количество феррита.

Оценка обрабатываемости по твердости, пределу текучести или преде лу прочности показала, что для сталей с содержанием углерода до 0,2% ре комендуется проведение нормализации с ускоренным охлаждением обдувом сжатым воздухом;

при 0,2-0,4% С – нормализация с охлаждением на спокой ном воздухе;

с 0,4-0,6% С – изотермический отжиг. Трудность в определении оптимального режима ПТО заключается в том, что для различных операций резания оптимальными являются разные структуры. Так для точения наибо лее благоприятны сфероидизированные структуры, а для протягивания, свер ления, расточки – структура мелкопластинчатого перлита.

ПТО для улучшения обработки давлением проводится с целью под готовки структуры для холодной листовой или объемной штамповки в усло виях двухосного и трехосного напряженного состояния и значительной де формации 50 %. Особенности пластической деформации при этих обработ ках предъявляют к структуре материала дополнительные требования. Во первых, резко возрастает роль макроструктуры, она должна быть с высокой степенью однородности, не иметь металлургических дефектов (пористость, рыхлоты, расслоения, ликвационные зоны) содержать минимальное количе ство неметаллических включений, желательно сферической формы. Во вторых, микроструктура должны быть однородной, мелкозернистой, с рав номерным распределением избыточных сфероидизированных фаз, без выде ления их по границам зерен матричной фазы, особенно в виде непрерывной сетки.

В стальных деталях решающее значение для улучшения штампуемости имеет сфероидизация цементита. Для особо сложной объемной штамповки количество сфероидизированного цементита от его общего содержания должно быть 80%. От ПТО в этом случае требуется решить две задачи - по лучить максимальную гомогенизацию матрицы и наибольшую вероятность сфероидизации частиц второй фазы, что достигается двойной термической обработкой. Первой является гомогенизационный отжиг или отжиг нормализация, второй - изотермический или сфероидизирующий отжиг.

ПТО для повышения точности размеров готовых деталей выполня ется с целью уменьшения коробления и деформации в процессе изготовления деталей. Причинами, приводящими к изменению размеров, являются напря жения, возникающие в изделиях в процессе упругой и пластической дефор мации во время всего цикла обработки. Они складываются из термических напряжений, образующихся при нагреве и охлаждении;

напряжений от структурных и фазовых превращений;

напряжений, возникающих в садке под собственным весом деталей, и внутренних напряжений, наследованных от предыдущих операций обработки (литье, резание, обработка давлением и т.д.). Различают равномерное изменение размеров (геометрическая форма изделий сохраняется), равномерно-постоянное коробление (равномерная ко нусность кольцевых тел) и неравномерное (переменное) коробление.

Снизить и стабилизировать все виды коробления можно варьированием и стабилизацией прокаливаемости стали. Например, для доэвтектоидной низ колегированной стали 40ХНМ наилучшие результаты из трех видов ПТО:

отжиг на пластинчатый перлит, отжиг на зернистый перлит, нормализация дает нормализация. Стабилизация возможна и путем регулирования размера и количества трудно растворимых карбидов и нитридов. Так в стали 25 в ре зультате ПТО на мелкое зерно прокаливаемость и деформация уменьшаются более чем в 1,5 раза. Оптимальный режим ПТО большинства конструкцион ных сталей включает ускоренное охлаждение от температуры конца горячей деформации до 700-500 °С, изотермическую выдержку при 600-680 °С, 3 ч, замедленное охлаждение до 400-200 °С и дальнейшее охлаждение на воздухе (25ХГМ, 20ХГМАЮ, 25ХГТ, 30ХГТ и др.).

Еще один путь уменьшения изменения линейных размеров можно осуществлять в процессе превращения. При этом сущность стабили зации размеров заключается в том, что при определенных условиях холодной пластической деформации в -фазе к моменту начала ее перехода в аустенит создается сильно развитая субструктура с разориентировкой субзерен близ кой к большеугловой, на которых также, как и на межфазных границах, фор мируются устойчивые зародыши -фазы. Поэтому значительно, на несколько порядков, возрастает число зародышей аустенита и создаются предпосылки для равномерных объемных изменений и превращений. Техноло гически это достигается за счет предварительной пластической деформации (волочение) и последующей перекристаллизации или осадка со степенью де формации ~30 % и последующей нитроцементации, что приводит почти к двух кратному уменьшению изменения размеров.

ПТО для улучшения свойств готовых деталей выполняется с целью получения мелкого и сверхмелкого зерна. Получение такой структуры в ста ли возможно при скоростном нагреве после предварительной подготовки структуры операциями улучшение, термоциклическая обработка при печном или электронагреве. Так закаленная сталь 40 после повторного нагрева под закалку со скоростью 500 °Сс и окончательного низкого отпуска при ~150 оС имеет на 15% больший предел прочности при незначительном понижении пластичности.

Рациональными режимами ПТО для средне- и высокоуглеродистых сталей является закалка с высоким отпуском или нормализация с высоким отпуском. Цементуемые и легированные стали с целью повышения свойств в готовых изделиях рекомендуется ускоренно охлаждать с температуры конца горячей деформации. Для наследственно крупнозернистых сталей (стали 25, 45) проведение двойной закалки: закалка с объемного печного нагрева и от пуск, затем повторная закалка с высокой скоростью нагрева токами высокой частоты и низкий отпуск. Такие различные виды ПТО могут повысить ко нечные свойства деталей на 10-30%.

Высокоуглеродистую сталь 110Г13Л перед закалкой рекомендуется отжигать при ~550 оС с целью значительного измельчения зерна аустенита.

Предварительная нормализация из межкритического интервала температур (А1-А3) чугунов повышает комплекс механических свойств после оконча тельной термической обработки. Различные виды термомеханической обра ботки позволяют формировать в металлических материалах устойчивую до высоких температур субструктуру. Элементы такой субструктуры оказывают значительное влияние на окончательно формируемые структуру и свойства.

Универсальным способом повышения конструктивной прочности сплавов является ПТО, формирующая оптимальные размеры избыточных фаз и равномерное их распределение в матрице. Это приводит к снижению кон центрации легирующих компонентов в матричном твердом растворе и как следствие к понижению внутренних напряжений и повышению пластично сти. Для получения мелкого зерна аустенита при высокотемпературных на гревах целесообразно использовать стали легированные Ti, V, Nb, Al и дру гими элементами, образующими в структуре труднорастворимые карбиды и нитриды.

5.1 Маршрутные технологии получения заготовок. Виды отжига Производственный цикл получения заготовок и полуфабрикатов до этапа первичной (предварительной) термической обработки можно предста вить в виде двух схем:

1. Приготовление расплава;

литье слитков;

термическая обработка слитков, которая может отсутствовать;

горячая деформация;

ПТО.

2. Приготовление расплава;

литье отливок;

обработка отливок;

ПТО.

Виды предварительной термической обработки – это чаще всего раз личные отжиги: диффузионный (гомогенизационный), полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий, нормализационный, до- или рекри сталлизационный, низкий для снятия напряжений, противофлокеновый.

Диффузионный отжиг применяется для выравнивания химического со става, то есть устранения дендритной (внутрикристаллитной) ликвации, по нижения твердости слитков из легированных сталей при температурах 1100 200 оС, выдержке при этой температуре 12-15 ч, что приводит к росту зерна.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.