Пояснительная зависка по ГОСТ (1229826), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

2.1. Постановка цели и задач работы

Таким образом, цель настоящей работы заключается в разработке эффективной технологии упрочнения посадочных поверхностей валов для повышения износостойкости их материала и рабочего ресурса.

Решаемыми задачами на выбранном технологическом пути являются:

Разработка термического участка депо с правильным выбором оборудования для термообработки валов и указанием грузопотоков;

Выбор и разработка методов химико-термической обработки;

Выбор и разработка методов термообработки.

2 ТЕОРИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СТАЛИ

2.1 Нагрев и охлаждение стали

Нагрев - основная операция любого процесса термической обработки стали. В общем балансе времени, необходимого для всего технологического процесса термической обработки, операция нагрева занимает от 40 до 80%.

При нагреве в металле происходит ряд явлений: тепловые расшире­ния, фазовые и структурные превращения, изменения физических и меха­нических свойств, физико-химические явления (окисление, обезуглерожи­вание) и др. Для разных: материалов эти процессы протекают неодинако­во. Поэтому только при правильном проведении процесса нагрева обеспе­чивается получение требуемых технологических, механических, и физико-­химических свойств стали. С экономической точки зрения нагрев жела­тельно производить с максимально возможной скоростью. Однако на прак­тике скорость нагрева приходится ограничивать вследствие возникновения больших температурных напряжений, приводящих к короблению изделий, образованию трещин и других пороков. В связи с этим различают техниче­ски возможную скорость нагрева и технически допустимую скорость нагре­ва для данной конкретной детали.

Технически возможная скорость нагрева определяется способом на­грева (пламенная печь, электрическая печь;, соляная ванна, металличе­ская ванна, установка ТВЧ и так далее), размером изделий, весом одновремен­но нагреваемого металла и расположением изделий в печи, разностью температур между средой нагрева и нагреваемым металлом.

Технически допустимая (или технологическая) скорость нагрева устанав­ливается в зависимости от следующих факторов: а) химического состава стали, влияющего на теплофизические свойства; б) структуры стали; в) кон­фигурации изделия; г) интервала температур, в котором ведется нагрев.

Скорость нагрева определяется главным образом коэффициентом теп­лоотдачи α (Дж/м²·с·К) - количеством тепла, переданного телу в единицу времени с единицы поверхности при разности температур в один градус. Коэффициент теплоотдачи зависит от природы нагревающей среды, ее температуры, формы и расположения изделий. Передача тепла от внеш­него источника тепловой энергии к нагреваемым изделиям осуществляет­ся конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью. Передача тепла теплопроводностью характерна для твердых тел, металлических распла­вов и вязких расплавов оксидов или солей.

Передача тепла конвекцией состоит в том, что подвижные частицы ат­мосферы или газового потока контактируют с поверхностью металла и за счет отдачи тепла нагревают холодную поверхность изделия. Нагрев кон­векцией происходит при температуре ниже 600... 700°С, выше этой темпе­ратуры начинается свечение нагревателей и нагрев осуществляется глав­ным образом лучеиспусканием. При нагреве лучеиспусканием не требуется непосредственного соприкосновения частиц атмосферы с нагреваемым телом, так как энергия лучей, которая подходит к нагреваемому телу, пре­вращается в тепловую энергию. Согласно закону Стефана - Больцмана, способность лучеиспускания тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

, (2.1)

где С – константа излучения, зависящая от степени черноты тела.

Тепло­проводность металла является внутренним фактором, определяющим скорость нагрева, и зависит от коэффициента теплопроводности металла λ (Дж/мс·К) - количества тепла, передаваемого за один час через толщину в один метр при разности температур в один градус.

В общем случае коэффициент теплоотдачи при нагреве складывается из коэффициента теплоотдачи конвекцией, коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием и коэффициента теплоотдачи теплопроводностью. Роль каждого вида теплоотдачи может быть основной или второстепенной в за­висимости от способа нагрева. В электрических печах, при температуре 900°С, основную роль в процессе теплопередачи играет лучеиспус­кание, в соляных и металлических ваннах - теплопроводность. Чем боль­шей теплопроводностью обладает среда, тем быстрее осуществляется на­грев. Если электропечь обладает при температуре 900°С коэффициентом теплоотдачи 0,21 Дж/м²·с·К, то соляная ванна - 0,47 Дж/м²·с·К, а свинцовая - 1,16 Дж/м² ·с·К. Следовательно, быстрее изделие нагреется в свинцовой ванне. Например, время нагрева на один градус при температуре 800...840°С для углеродистой стали (изделий диаметром 25... 50 мм) на каждый миллиметр диаметра равно: в электропечи 50... 60 с, в соляной ванне 18... 20 с, в свинцовой 7... 8 с.

Нагрев металла происходит тем быстрее, чем выше температура печи или ванны, теплопроводность металла, больше поверхность нагрева при одном и том же весе одновременно нагреваемого металла. Кроме того, на скорость нагрева металла влияет способ размещения деталей в нагре­ваемой среде. Нагрев одной-двух заготовок в печи производится в два раза быстрее, чем при укладке изделий сплошным слоем.

Технологическая скорость нагрева определяется прежде всего темпе­ратурными напряжениями, возникающими в результате перепада темпе­ратур между поверхностью и сердцевиной изделия. Допускаемая разность температур по сечению:

, (2.2)

где К - коэффициент, зависящий от формы изделия (для пластин равен 1,05, цилиндра - 1,4); σ_д- допустимое напряжение, МПа; α - коэффици­ент линейного расширения, 1/°С; Е - модуль нормальной упругости, МПа. При расчетах за допустимое напряжение принимают предел текучести с определенным запасом прочности.

Скорость нагрева должна быть тем меньше, чем сложнее сталь по хи­мическому составу, так как легирующие элементы значительно понижают теплопроводность железа. Если принять теплопроводность чистого желе­за за 100 %, то теплопроводность стали с 1% С составляет около 65%, низколегированной стали (20ХГС 40Х) - около 50%, высоколегированной (Р18, 3X13) - около 30... 35%, а для стали Г13 всего 16%. Поэтому изде­лия из углеродистой стали толщиной до 100... 120 мм практически нагре­вают с любой скоростью, а изделия из легированной стали - в 2-3 раза медленнее из-за малой теплопроводности.

На практике применяются следующие пять режимов нагрева.

Медленный нагрев изделий вместе с печью (рисунок 2.1, а). В этом случае разность температур между центром и поверхностью мала, но продолжи­тельность нагрева велика. Применяется для крупных сложных изделий из легированной стали.

Нагрев изделий в печи с постоянной температурой, поддерживаемой все время на заданном уровне (рисунок 2.1, б). Этот режим нагрева наиболее часто применяется при термической и химико-термической обработках. Время нагрева сокращается, но возрастает разность температур по сече­нию изделия.

В момент загрузки изделий температура печи выше заданной темпе­ратуры нагрева (рисунок 2.1, в). По мере нагрева изделия температура печи по­нижается до заданной. Время нагрева при этом еще больше сокращается, но одновременно растет разность температур по сечению изделия и, сле­довательно, растут возникающие температурные напряжения.

В печи поддерживается температура значительно выше той, которая необходима для нагрева изделий (рисунок 2.1, г). Изделие нагревается до за­данной температуры, но меньшей, чем температура печи. Этот нагрев имеет место в конвейерных, или проходных печах. Нагрев до заданной температуры достигается очень быстро, при этом еще более возрастает перепад температур по сечению изделия.

Нагрев изделий производится с подогревом в другой печи (рисунок 2.1, д). Перепад температур по сечению небольшой, время нагрева изделия до заданной температуры меньше, чем в первом режиме. Применяется для нагрева высоколегированной стали и изделий сложной конфигурации.

Охлаждение стали. Любой вид тепловой обработки связан с операци­ей охлаждения. Результат термической обработки зависит от скорости охлаждения, которая должна быть такой, чтобы обеспечить получение за­данной структуры и необходимых механических свойств при минимальной величине внутренних напряжений.

Для получения равновесных структур изделия охлаждают медленно. Изделие, нагретое до заданной температуры, остается в печи и охлажда­ется вместе с печью с определенной скоростью. К такой операции отно­сится отжиг- При нормализации сталь, нагретую до аустенитного состоя­ния, охлаждают на спокойном воздухе.

а) - медленный нагрев вместе с печью; б) - нагрев в печи с постоянной температурой; в) - нагрев в печи, температура которой выше заданной температуры нагрева; г) - нагрев в печи с постоянной температурой которая поддерживается выше заданной для изделия; д) - нагрев с подогревом изделий в другой печи

Рисунок 2.1 – Режимы нагрева стали

Процесс закалки, заключающийся в переохлаждении аустенита до тем­пературы мартенситного превращения, требует быстрого охлаждения, ко­торое осуществляется потоком сжатого воздуха или какой-либо охлаж­дающей жидкостью. Основным назначением охлаждающей среды являет­ся отвод тепла от металла, осуществляемый в основном теплопроводно­стью и конвекцией.

На практике в качестве закаливающей жидкости применяется вода, водные растворы солей и щелочей, минеральные масла, расплавленные соли, металлы и др. Охлаждающая способность жидкости зависит от ее качества, удельной теплоемкости, теплопроводности, вязкости, способно­сти к парообразованию, скрытой теплоты парообразования. Количество жидкости и ее удельная теплоемкость определяют то количество тепла, которое может поглотить среда при охлаждении в ней изделия. Вязкость, характеризующая жидкотекучесть среды, влияет на конвекцию. При погру­жении нагретого изделия в жидкость на поверхности изделия образуются пары. Чем больше способность к парообразованию, тем меньше закали­вающая способность жидкости, так как пары являются плохим проводни­ком тепла и снижают скорость охлаждения. Способность жидкости к паро­образованию тем меньше, чем больше скрытая теплота испарения. Наи­более распространенной охлаждающей жидкостью является вода, так как она обладает большой удельной теплоемкостью, высокой скрытой тепло­той парообразования, низкой вязкостью, т. е. теми свойствами, которые необходимы для жидкости, хорошо отводящей тепло. Для уменьшения толщины паровой рубашки повышают температуру кипения введением в водный раствор NaCI или NaOH.

2.2 Окисление и обезуглероживание стали

При нагреве стали до высоких температур под действием кислорода и других окислительных газов (СО₂, Н₂О, SО₂), находящихся в атмосфере пе­чи, происходит окисление и обезуглероживание поверхностных слоев дета­лей. Окисление и обезуглероживание стальных изделий происходит при на­греве их в пламенных и электрических печах различного типа и в соляных ваннах. Величина окисления и обезуглероживания зависит от вида топлива, конструкции печи, от состава и давления атмосферы печи, температуры, времени нагрева, химического состава стали и других факторов.

В результате всех видов горячего передела стали в прокатных, кузнечных и термических цехах в окалину переходит до 5% вырабатываемой стали. Большие материальные потери при этом заключаются не только в угаре стали, но и в дополнительных затратах на механическую обработку, очистку изделий от окалины гидравлическим способом, дробеструйными аппаратами, щетками и травлением. В термических цехах при нагреве имеет место ряд поверхностных пороков стали: окисление, обезуглероживание поверхности, различие в твердости при закалке и т. д. При высоких температурах железо окисляют не только чистый кислород и воздух, но водяной пар, и углекислый газ. Окислители по активности своего действия располагаются в следующем порядке: кислород, воздух, водяной пар, углекислый газ. Рабочее пространство в топливных печах заполнено продуктами горения, в которых присутствуют СО₂, СО, Н₂О, Н₂, С_nН_2n+2 , С_nH_2n, SO₂, азот и кислород. В электрических печах рабочее пространство заполнено воздухом, кислород которого и окисляет сталь. Окисление изделий при нагреве в соляных ваннах происходит за счет кислорода воздуха, попадающего в соль вместе с изделиями во время их погружения, а также через зеркало ванны. Действие указанных выше газов на поверхность изделий во время их нагрева в печах зависит от соотношения СО и СО₂, Н₂ и Н₂О в газовой смеси. Газовая атмосфера печи по отношению к стали может быть восстановительной, окислительной или нейтральной в зависимости от концентрационного отношения Н₂ к Н₂О или СО к СО₂. Равновесные концентрации этих газов определяются константой равновесия реакции водяного газа:

Характеристики

Список файлов ВКР