книги из ГПНТБ / Макиенко, Н. И. Слесарное дело с основами материаловедения учебник

уменьшение внутренних напряжений в деталях после механиче­ ской (горячей или холодной) обработки — низкотемпературный отжиг;

устранение нежелательного изменения в структуре, вызванного обработкой,— полный отжиг;

изменение структуры в целях облегчения условий обработки резанием, т. е. уменьшение сопротивления стали резанию,— непол­

внутренних напряжений в металле, которые, в необработанной за­ готовке не проявляются и обнаруживаются только при односторон­ ней ее обработке. Волочение, прокатка, строгание, точение, фрезе­

полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30—50°С выше линии GSK (точка Асз) (рис. 31), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. Время выдержки при нагреве должно быть достаточным для прогрева изделий по всему сечению.

Н е п о л н ы й отжиг . Если до отжига структура стали удов­ летворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в де­ талях имеются внутренние напряжения, применяют неполный от­ жиг. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30—40° С превышающей нижнюю критическую точку Лс/, т. е. до 750—760° С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680—750° С способствуют образованию крупнозернистое™, облегчающей обрабатываемость стали.

Для мягких сталей с содержанием углерода до 0,4—0,5% не­ полный отжиг применяется редко. Для инструментальных сталей неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способ­ ствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатывае­ мости.

И з о т е р м и ч е с к и й о т ж и г в отличие от полного отжига за­ ключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30—50° С выше точки Асз (конструкционные стали) или выше точки А сі на 50—100° С (инструментальные стали) и после выдержки охлажда­ ют в расплавленной соли до температуры ниже точки Аг1 на 30— 100°С (680—700°С). При этой температуре сталь подвергают вы­ держке, а затем охлаждают до комнатной температуры. Темпера­ тура изотермической выдержки (650—700° С) оказывает значитель­ ное влияние на свойство стали.

Основное преимущество изотермического отжига состоит в том,

69

что он позволяет сократить длительные циклы, применяемые при указанных отжигах деталей из легированной стали, которые тре­ буют очень медленного охлаждения для снижения твердости.

Д и ф ф у з и о н н ы й о т ж и г (гомогенизацию) применяют, что­ бы выровнять (путем диффузии) химический состав стали в слит­ ках и крупных отливках. Диффузионный отжиг осуществляют при высоких температурах (1100—1200° С) с выдержкой от 10 до 15 ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600—550° С.

Сталь, прошедшая диффузионный отжиг, обладает более высо­ кими механическими свойствами, особенно повышается ударная вязкость.

О т ж и г и а з е р и и с т ы й п е р л и т применяют для сталей, со­ держащих более 0,65% углерода, с целью понизить их твердость и улучшить обрабатываемость резанием. Для отжига сталь нагре­ вают немного выше А СІ и после выдержки при рабочей температу­ ре в течение 3—5 ч медленно охлаждают (со скоростью 30—50° С в час) сначала до 700° С, затем до 650—600° С н далее па воздухе.

Р е кр и ста л л н з а ци он н ы й, или н и з к и й , о т ж и г при­ меняют для исправления искажений кристаллической решетки, по­ лученных при холодной прокатке, волочении пли холодной штам­ повке. Отжиг производят нагреванием стали до температуры ниже точки А сі (630—650° С) с выдержкой при этой температуре и мед­ ленным охлаждением, в результате чего вместо деформированной (вытянутой) структуры получают мелкозернистую, равноосную, мягкую и вязкую структуру.

Н о р м а л и з а ц и е й называется операция нагрева стали на 30—50° С выше линии GSE (точки Ас$— для конструкционной ста­ ли или Аст— для инструментальной стали) с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

Нормализации подвергаются штампованные и кованые заго­ товки из углеродистой и легированной стали. Цель нормализа­ ции— улучшение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нор­ мализацией можно исправить структуру после ковки и штамповки деталей, уничтожить последствия перегрева после сварки деталей и снять напряжения в сварном шве. После нормализации отливки имеют высокий предел текучести и прочности, а также повышен­ ную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистых и спе­ циальных сталей нормализация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свойства.

§ 22. ЗАКАЛКА, СКОРОСТЬ НАГРЕВА, ЗАКАЛОЧНЫЕ СРЕДЫ,

ки, при которой сталь нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей и др.

70

Цель закалки — получение стали с высокими твердостью, проч­ ностью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, по­ вышающими эксплуатационную надежность и долговечность об­ рабатываемых деталей и инструмента. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости

Асі), выдерживают в течение времени, необходимого для выравни­ вания температуры по всему сечению детали, и быстро охлаждают.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: бы­ строрежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260— 1280° С, а нержавеющую сталь (например, 4X13) — при температу­ ре 1050—1100° С.

При выборе режимов закалки пользуются соответствующими справочниками *.

Допускаемая с к о р о с т ь н а г р е в а металла при термической обработке зависит от типа нагревательного устройства, массы одно­ временно нагреваемого металла, его химического состава, тепло­ проводности, степени однородности и чистоты, а также формы, размеров деталей и температуры нагрева.

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термиче­ ской обработки, повышается производительность оборудования, уменьшается угар металла и т. д.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, чем сложнее форма и больше размеры детали, тем медленнее должен осуществляться нагрев во избежание возникновения больших внут­ ренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образо­ вание трещим в деталях.

Для медленного нагрева детали загружают в холодную печь (медленный нагрев вместе с печью). При загрузке деталей в печь, имеющую температуру заданного режима термообработки, дости­ гается высокая скорость нагрева. Таким методом главным обра­ зом нагревают мелкие детали — пружины, шпильки, гайки и т. п.

Медленно нагревают детали до температуры 500—600° С, за­ тем процесс нагрева ускоряют, так как внутренние напряжения в деталях из-за разности температур уже не будут возникать. Время нагрева инструментальных углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей больше, чем конструкционных углероди­ стых сталей, на 25—50%, а высоколегированных на 50—100%.

После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определенного промежутка времени для выравнива­ ния температуры по всему сечению детали и завершения струк­ турных превращений.

* С. А. Ф и л и н о в и И. В. Ф и р г е р, Справочник термиста. «Машино­ строение», Ленинград, 1969,

71

Закалочную среду выбирают с учетом химического состава стали. Нужно иметь в виду, что единой универсальной среды для закалки стали мет, поэтому пользоваться следует различными средами. В качестве закалочных сред используют также 5 — 10%-ный раствор едкого натра пли поваренной соли, при этом ско­ рость охлаждения стали в два раза больше.

С п о с о б ы з а к а л к и . Основными способами закалки стали являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенча­ тая, с подстужнванпем, самоотпуском и изотермическая.

З а к а л к а в о д н о м о х л а д и т е л е состоит в погружении на­ гретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Та­ кой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой

мые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

З а к а л к а в д в у х с р е д а х , пли прерывистая закалка, состо­ ит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300—400° С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродпстых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время

металлургом Д. К. Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240—250°С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производ­ стве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сече­ нием, требующего высокой твердости. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями, а следовательно, уменьшает опасность коробления и образования трещин.

Наиболее хорошо поддаются ступенчатой закалке глубоко про­

ния разницы в температурах металла и закалочной среды, если нагрев детали проведен до температуры, значительно превышаю­ щей температуру закалки данной стали.

72

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду вы­ держивают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживаинп необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки /Пз для конструкционных сталей и ниже точки Агі Для инструментальных. Цель этого способа закалки—-уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементо­ ванных.

З а к а л к а с а м о о т п у с к о м состоит в том, что нагретую де­ таль выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлажде­ ния; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость.

Внекоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить

всердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется от­ пуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество за­ калки в этом случае зависит от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возни­ кающим на поверхности детали при температуре 220—330° С.

Закалку с самоотпуском применяют только для обработки

ударного инструмента — зубил, бородков, кернеров и др., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться от рабочей части к хвостовой.

И з о т е р м и ч е с к а я з а к а л к а — наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изгото­ вить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластич­

термическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе. Этот способ закалки позволяет снизить термические напряже­ ния, так как после изотермической выдержки структурные измене­ ния в стали уже не происходят. Изотермическую закалку приме­ няют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из леги­

рованных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

П а т е н т и р о в а и и е с т а л и состоит в нагреве детален до температуры 800—900° С, выдержке и охлаждении в ваннах с рас­ плавленным свинцом (500—600° С) и последующей обработке дав­ лением. После патентпровання сталь приобретает высокую проч­ ность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

количество охлаждающей жидкости должно быть достаточ­ ным, чтобы температура ее мало изменялась во время охлаждения закаливаемых деталей;

перед погружением нагретой детали охлаждающую среду (воду, масло) необходимо тщательно перемешать для выравнива­ ния температуры;

для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха,

73

Рис. 32. Приемы погружения деталей при закалке

обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;

тонкие длинные детали во избежание коробления нельзя ох­ лаждать, опуская в жидкость плашмя, так как нижние слои ме­ талла, охлаждаясь первыми, сжимаются. Детали с неодинаковым сечением следует погружать более толстой частью вниз.

74

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис. 32, На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тща­ тельно обрабатывать.

Угольник с прямым углом после закалки образует трещины, если не просверлить во внутреннем углу отверстия и не сделать подрезки. Зубья шлицевого валика охлаждаются быстрее сердце­ вины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие тре­ щины.

§ 23. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но чтобы ее сердцевина при этом ос­ тавалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопере­ менные нагрузки. К таким деталям относятся зубчатые колеса, шейки коленчатых валов и другие стальные тяжелые детали.

Из существующих способов поверхностной закалки наибольшее промышленное применение имеют: пламенная закалка, закалка токами высокой частоты (ТВЧ), а также закалка в электролитах.

П л а м е н н а я з а к а л к а . Поверхность стального или чугун­ ного изделия подвергается нагреву ацетилено-кислородным пламе­ нем до температуры, превышающей на 50—60° С верхнюю критиче­ скую точку Асз с последующим быстрым охлаждением водяным душем (струя воды).

Сущность процесса пламенной закалки состоит в том, что тепло, проводимое газовым пламенем от горелки к закаливаемой детали, концентрируется на ее поверхности и значительно превышает коли­ чество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до темпера­ туры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остается незака­ ленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твер­ дость.

Для пламенной закалки поверхности применяются разнообраз­ ные устройства — от простой ручной горелки до сложных автома­ тов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, по­ этому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие пз большого количества сопел, или же горелки, имеющие смеситель­ ную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют в смеси с кислородом.

Охлаждающим средством служит вода. Если закаливаемая де­ таль не слишком тонка или не имеет сложной конфигурации, то нет опасности образования трещин, поскольку одновременно зака­ ливаются обычно небольшие поверхности.

Качество пламенной закалки поверхности зависит прежде всего от температуры пламени и от того, насколько правильно охлажде­ ние струей воды. Глубина и температура нагрева регулируются

75

скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия. На рис. 33 приведена схема пламенной закалки. Горелку 1 пе­ ремещают вдоль поверхности нагреваемого изделия со скоростью 120—200 мм/мин. При такой скорости поверхностный слой метал­

ла нагревается до температуры 850° С.

Расстояние от пламени горелки до поверхности изделия зависит

простота и низкая стоимость оборудования, отсутствие обезуглеро­ живания н окисления.

Недостатком ацетилено-кислородной закалки является труд­ ность регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

З а к а л к а в э л е к т р о л и т е . При этом способе, предложен­ ном советским инженером И. 3. Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (5%-ный раствор Na2S 03). Корпус 5 (рис. 34) ван­ ны является анодом, деталь 1 служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 220—380 в и плотностью 3—4 а/см2 выделяется водород, который осаждается на поверхности детали. Оседание пузырьков 2 водорода резко повышает электросопротивляемость изделия, и поверхность детали нагревается до 900—940° С. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например торцы, дает возможность автоматизиро­ вать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность ре­ гулирования температуры, низкая производительность, ограничен­ ное число деталей, поддающихся закалке, и необходимость предо­ хранения их от коррозии.

П о в е р х н о с т н а я з а к а л к а т о к а м и в ыс о к о й часто-

т ы дает возможность в короткое время получить на изделии хо­ рошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В. П. Вологдиным.

76

При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спи­ рали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток созда­ ет вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изделии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности из­ делия и нагревают его на определенную глубину. Чтобы спираль пер­ вичного тока не нагревалась, ее делают из медной трубки, через ко­ торую пропускают воду. Такие спирали называются индукторами.

Индукторы могут иметь несколько витков или один, охватывающий нагрева­ емое изделие. Форма индуктора должна соответствовать форме закаливаемого изделия.

Для получения тока высокой часто­ ты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индук­ тором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и на­ греваемой деталью составляет 2—5 мм.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований различают три способа высоко­ частотной закалки.

Для закалки небольших деталей применяют с по с о б о д н о ­ в р е м е н н о й з а к а л к и (рис. 35, а) ; вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одно­ временно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключает индуктор от генератора и включается во­ дяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Детали значительной длины закаливают н е п р е р ы в н о - п о ­ с л е д о в а т е л ь н ы м способом (рис. 35,6). Вал 1 вращается во­ круг вертикальной оси и перемещается внутри индуктора 2 сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и зону охлаж­ дения закалочного устройства 5, к которому по шлангу 4 подается вода. Непрерывно-последовательную закалку стальных плит выпол­ няют при помощи плоских индукторов (рис. 35, в).

(рис. 35, а).

Преимущества обработки деталей токами высокой частоты: вы­ сокая производительность н большая экономичность, более высо­ кая твердость по сравнению с другими способами поверхностной закалки, возможность точного регулирования глубины закаленного слоя, отсутствие окалины и меньшее коробление закаленных дета­ лей, возможность автоматизации процесса, улучшение условий труда рабочих и др.

77