Технологический процесс термической обработки.

Масса метчика – 2,1 кг

Производительность оборудования – 205 кг/ч

Термической обработкой стали называется совокупность технологических операций ее нагрева, выдержки и охлаждения в твердом состоянии с целью изменения ее структуры и создания у нее необходимых свойств: прочности, твердости, износостойкости, обрабатываемости или особых химических и физических свойств.

Перед основной термической обработкой деталь отжигают для снятия остаточных напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с помощью различных видов отжига.

Отжиг - одна из важнейших операций термической обработки, в результате которой снимаются внутренние напряжения в стали, измельчаются зерна и понижается твердость.

Отжиг второго рода - это термообработка, которая заключается в нагреве стали до температур выше точки А_С1. В результате получается почти равновесное структурное состояние стали; в заэвтектоидной стали 9ХС - цементит + перлит+ Cr₂₃C₆. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. (HВ = 243) Так как наша задача смягчить структуру для последующей механической обработки, мы проводим неполный отжиг. Основные цели неполного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик.

Неполный отжиг заключается в нагреве заэвтектоидной стали до температур на 30-50°С выше температуры А_C1, но не превышает А_Cm (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для данной стали t_отж= А_С1 +30÷50°С =770+30÷50°С=800÷820°С. Выбираем t_отж=810°С. При неполном отжиге происходит неполная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки А_С1 образуется аустенит + карбиды, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую пластичность и невысокую твердость. Структура заэвтектоидной стали, после неполного отжига состоит из зернистого перлита (рис 3). Затем следует токарная обработка, которая заключается в том, что заготовку торцуют и протачивают наружный диаметр.

Рис.3 График неполного отжига для стали 9ХС

После отжига проводится механическая обработка развертки, которая включает в себя токарную, круглошлифовальную, фрезерную, зубофрезерную, слесарную операции.

Механически обработанную деталь подвергают термической обработке: закалке и отпуску. Так как заданная деталь должна обладать достаточно высокой прочностью и твердостью назначаем неполную закалку с низким отпуском. Закалка - термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической (А_С3 для доэвтектоидной и A_{C1 -} для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Данная сталь заэвтектоидная, поэтому её нагревают до температуры на 30-50° С выше точкиА_{С1 (}рис.4), т. е до 800 - 820°С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

Рис.4 График неполной закалки для стали 9ХС

Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства детали, сталь после закалки обязательно подвергают низкотемпературному отпуску.

Отпуск - термическая обработка, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже температуры критической точки A_C1, выдерживают необходимое время при этой температуре, а затем медленно охлаждают.

Рис.5 График отпуска для стали 9ХС

При такой обработке несколько уменьшаются внутренние напряжения, стабилизируется структура стали, понижается ее твердость и увеличивается вязкость. При отпуске стали происходят структурные превращения, заключающиеся в том, что мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры.

При нагреве до 100°С заметных изменений в структуре закаленной стали не происходит. При нагреве от 100 до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него дисперсных частиц цементита. Этот распад происходит в две стадии.

В первой стадии при 100 - 200°С наблюдается выделение из мартенсита мельчайших карбидных включений пластинчатой формы и толщиной в несколько атомных слоев. Одновременно с этим происходит заметное уменьшение объема стали, связанное с образованием мартенсита отпуска.

Вторая стадия отпуска происходит при 200-350°С. Она сводится к дальнейшему медленному выделению из мартенсита частиц карбида железа. В это время в стали развивается процесс разложения остаточного аустенита и переход его в мартенсит отпуска.

Заданную сталь подвергают низкому отпуску, поэтому его проводят в интервале температур 150-160°С. При этих температурах в стали образуется мартенсит отпуска и почти полностью исчезают внутренние напряжения. Мартенситная структура обеспечивает наилучшее соотношение прочности и твёрдости для данной стали.

Закалка с низким отпуском повышает пределы прочности и твёрдости. Термическую обработку, состоящую из закалки и низкого отпуска, называют изотермической закалкой.

Окончательная структура после термической обработки – мартенсит отпуска с включениями глобулярных карбидов, сердцевина – сорбит, тростит.

Механические свойства 9ХС после термической обработки:

Твёрдость поверхности – HRC 62, сердцевины – HRC 35…45.

Выбор оборудования.

Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами и рассчитанными видами термической обработки.

Выбираем:

Для закалки – Электропечь камерная для нагрева под закалку в защитной атмосфере СНЗ 6.12.5/11

Для отпуска – Электропечь для низко- и среднетемпературного отпуска в воздушной атмосфере СНО6.12.5/9,5

- Ванна закалочная ВЗМ для закалочного охлаждения нагретых до температуры закалки изделий в масле;

- Ванна промывочная ВП для промывки закаленных изделий от масла в моющем растворе;

- Транспортно-загрузочный механизм для загрузки, выгрузки и перемещения внутри технологических линий агрегата термообрабатываемых изделий;

- Клети, поддоны, корзины и кассеты для укладки и транспортировки термообрабатываемых изделий.

Процесс термообработки начинается с загрузки агрегата.

Тpaнcпopтнo-зaгpузoчный мexaнизм (зaгpузчик) вxoдит в cocтaв линий зaкaлки и oтпуcкa и пpeднaзнaчeн для мexaнизиpoвaннoгo выпoлнeния зaгpузoчнo-paзгpузoчныx oпepaций внутpи линии. Вaнны мacляныe и пpoмывoчныe ocнaщeны гидpaвличecкими мexaнизмaми пoдъeмa и oпуcкaния пoддoнa c дeтaлями.

Электропечь для нагрева под закалку выполняется в виде футерованного стального каркаса, внутри которого помещен жаропрочный герметичный муфель с водоохлажденным фланцем. На своде и на поду внутренней поверхности футеровки расположены выемные спиральные нагреватели, равномерно обогревающие муфель. Муфель имеет вертикальный разгрузочный лоток, герметизируемый гидрозатвором в масло закалочного бака, а со стороны загрузки – форкамеру с пламенной завесой, препятствующей попаданию воздуха в рабочее пространство муфеля, заполненное защитной атмосферой. Конвейер электропечи состоит из бесконечной конвейерной ленты, выполненной из жаропрочной проволочной сетки, привода и вспомогательных устройств, обеспечивающих минимизацию усилия натяжения конвейерной ленты в горячей зоне печи при огибании вертикальной разгрузочной части муфеля.

Загрузочный участок конвейерной ленты (загрузочный стол), устройство герметизации места выхода обратной ветви ленты из муфеля и привод конвейера расположены на передней раме, установленной перед загрузочной фотокамерой.

Регулирование теплового режима электропечи осуществляется по нескольким тепловым зонам с помощью термоэлектрических преобразователей и электронных регуляторов температуры. При достижении заданной температуры на деталях, детали закаливаются в закалочном баке.

Бак закалочный представляет собой герметичную емкость, которая автоматически обеспечивает поддержание температуры не выше 60⁰С, благодаря оригинальной схеме теплообмена. Для создания ламинарного омывающего потока ванна оснащена мешалкой. Для промывки деталей используются новейшие современные смеси. Время перегрузки деталей из печи в ванну занимает менее 30 секунд., перемещаемой по направляющему остову между ведущим и ведомым барабанами с помощью электропривода, расположенного в верхней части конвейера. Ковши конвейера рассчитаны на прием мелких деталей и автоматически перегружают их на конвейер моечного бака машины.

Моечная машина конструктивно выполнена из сварного корпуса, конвейера, бака с моющим раствором и нагревателями, насосной установки с системой трубопроводов.

Конвейер состоит из верхних и нижних направляющих, конвейерной ленты, ведущего и ведомого валов, привода. Конвейерная лента выполнена аналогично ленте закалочного бака. В баке размещены трубчатые электронагреватели для нагрева моющего раствора.

Насосная установка предназначена для подачи моющего раствора в разбрызгиватели для промывки деталей.

Электропечь для нагрева под отпуск выполняется в виде футерованного стального каркаса, внутри которого по направляющим движется бесконечная конвейерная лента, выполненная из жаропрочной проволочной сетки, и расположен привод.

Нагревательная система выполнения по аналогии с закалочной печью. Под сводом отпу­скной печи смонтированы мешалки, обеспечивающие равномерное распределение температуры при отпуске.

Система автоматического управления

Для регистрации температурного режима на шкафу управления установлен регистратор температуры. С целью повышения безопасности работы печь оснащена блокировочными выключателями для снятия напряжения (отключения нагрева) при откате крышки. При обрыве термопары и превышении температуры срабатывает защита, отключается напряжение на нагревателях.

Необходимое силовое и регулирующее оборудование смонтировано в шкафу управления.

Для выработки закалочной печью защитной атмосферы к агрегату подключен эндогенератор. Газовая смесь в определенной пропорции формируется в газовой панели, размещаемой сбоку закалочной печи, и подается в торцевую часть зоны разгрузки, где при прохождении через встроенный каталитический генератор вырабатывается защитная атмосфера (эндогаз).