Выбор технологии термической обработки

Термическая обработка металлов и сплавов является одной из важнейших составляющих любого технологического процесса изготовления металлических изделий, цель, которой заключается в создании требуемого комплекса механических либо иных физико-химических свойств материала изделия, в увеличении эксплуатационных характеристик работы изделий в конструкциях, машинах и агрегатах, а также в улучшении технологичности материала при получении изделий. Термическая обработка, как операция технологического процесса, заключается в нагреве металла или сплава до заданной температуры, в выдержке при этой температуре либо без выдержки с последующим охлаждением. В зависимости от вида обработки, ее цели, от исходного и требуемого конечного структурного состояния материала, термическая обработка характеризуется своими технологическими параметрами, в качестве которых выступают чаще всего температура и условия нагрева, длительность выдержки, скорость охлаждения, среда и способ охлаждения.

 

Рисунок 4 - Диаграмма состояния железо – цементит

Сталь 30ХГСА – конструкционная с доэвтектическим содержанием углерода (~0,3% С). При выборе температур нагрева под термообработку следует руководствоваться диаграммой железо – цементит, показанной на рисунке 4. Критические точки были приведены ранее в таблице 5. Сталь относится к перлитному классу по структуре в нормализованном состоянии.

На рассматриваемом участке в термокалибровочном цехе сталь 30ХГСА подвергают отжигу для предотвращения растрескивания, которое могут вызвать остаточные напряжения после горячей обработки давлением. Отжиг проводят в камерных печах со стационарным подом по следующему режиму: формируется садка, с помощью напольной машины помещается в печь с начальной температурой 690 ⁰С, далее металл нагревается вместе с печью. Температура нагрева составляет 760 ⁰С, нагрев ведется в течение 5 – 6 часов. Изменение температуры в процессе нагрева до заданной составляет 40 – 50 ⁰С/ч. Выдержка при заданной температуре 3 часов и затем охлаждается 3 часа с приоткрытым шибером, потом на спокойном воздухе. Далее садку необходимо замочить в воде для отделения образовавшейся окалины от поверхности прутка.

 

 

Сталь марки 30ХГСА относится к улучшаемым сталям, которые подвергаются такой термической обработки как закалка и последующий высокотемпературный отпуск, называемой улучшение. После данной обработки сталь приобретает необходимые свойства и структуру. Для сравнения рассмотрим два режима термической обработка. Это режим с поверхностной закалкой токами высокой частоты (ТВЧ) и последующим отпуском, объемная закалка и самоотпуск.

При нагреве токами высокой частоты деталь помещают в индуктор. Индукторы изготавливают из медных трубок, внутри которых непрерывно циркулирует вода, благодаря чему они сами не нагреваются. При высоких частотах (обычно от 10³ до 10⁵ Гц) индуктируемый ток идет преимущественно в поверхностном слое, толщина которого тем меньше, чем выше частота тока. В этом слое выделяется ~ 87% всей тепловой энергии и происходит нагрев до закалочных температур. Форма индукторов соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо соблюдать постоянное расстояние между индуктором и поверхностью изделия. Нагрев детали ТВЧ происходит за 3—5 с. После нагрева в индукторе деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство — спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость (иногда нагретые детали сбрасываются в закалочные баки). Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Кроме того, вследствие непродолжительных выдержек диффузия углерода не успевает произойти и в образовавшемся аустените наблюдается неоднородность его распределения. Чтобы ускорить диффузионные процессы, повышают температуру нагрева. Поэтому температура закалки при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильном режиме получается мелкоигольчатый или бесструктурный мартенсит, имеющий меньшую хрупкость и повышенную прочность. Твердость повышается на 2—3 единицы по сравнению с обычной закалкой, а также возрастает износостойкость и предел выносливости, который может увеличиваться в 1,5—2 раза. Поскольку при нагреве ТВЧ сердцевина изделия нагревается ниже Ас₁ перед закалкой для улучшения свойств его подвергают нормализации. Наиболее целесообразно использовать этот метод для нагрева изделий из углеродистых сталей, содержащих более 0,40% С.

Преимущества метода ТВЧ — высокая производительность, отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали, возможность регулирования и контроля режима термической обработки. Для легированных сталей нагрев ТВЧ, как правило, редко применяют, так как одно из их преимуществ — глубокая прокаливаемость легированных сталей — при таком методе не используется. После закалки ТВЧ проводят низкий отпуск при температуре 150 – 200 ⁰С для сохранения полученных при закалке свойств и снятия внутренних напряжений [1].

Под объемной закалкой понимают нагрев деталей выше критической точки Ас₃ (доэвтектоидной стали) или Ас₁ (заэвтектоидной стали) на 30—50 °С, выдержки при этой температуре и быстрого охлаждения. Процесс охлаждения проводят в различных средах: воде, масле, расплавах солей и металлов. Выбор охлаждающей среды зависит от химического состава металла. Основная цель закалки стали — получение высокой твердости, износостойкости и физико-механических свойств. Резкое увеличение твердости и прочности в процессе закалки происходит из - за фазовых превращений структуры в процессе нагрева и охлаждения и образования неравновесных твердых структур — мартенсита, троостита и сорбита. При закалке резко возрастает твердость и снижается пластичность. Твердость в отожженном состоянии 180 НВ, а после закалки – 650 НВ. Высокая твердость после закалки обусловлена сильными искажениями решетки пересыщенного α – твердого раствора из – за внедренных атомов углерода, повышением плотности дислокаций. После объемной закалки проводят самоотпуск. Охлаждение проводят в одном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия имеет еще значительное количество тепла (не совсем охладилась), охлаждают примерно до 400 - 450 °C, затем вынимают из охлаждающей жидкости. За счет этого тепла поверхностные слои изделия вновь нагреваются, и таким образом происходит отпуск.

Под улучшением стали понимают термическую обработку заключающуюся в закалке и высоком отпуске. Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой ударной вязкости и достаточной прочности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 20 –25 НRС. Температура нагрева под закалку составляет 850 – 880 ⁰С, с охлаждением в масле. Затем отпуск при температуре 560 – 600 ⁰С, охлаждение в воде или масле, график термообработки показан на рисунке 6. При термической обработке заготовок допускаются отклонения по температуре нагрева при закалке ± 15 °С, при высоком отпуске ±50 ⁰С. В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Данная среда обеспечит необходимую скорость охлаждения (выше критической). Как более дешевую среду воду не используют, во избежание образования трещин, больших внутренних напряжений. Скорость охлаждения воды по сравнению с маслом значительно больше. После отпуска получаем в структуре сорбит с твердостью 300 НВ, σ_в= 1040 МПа, σ_0,2=940 МПа, δ=19%.

При сравнении выше изложенных видов термообработки выбираем режим улучшения, так как он обеспечит требуемые свойства. Режим с нагревом ТВЧ не применяется, потому что нарезка зубьев после термической обработки будет невозможна, так как поверхность прутка будет обладать повышенной твердостью. Так же нагрев ТВЧ не применяют, в следствие, повышенной прокаливаемости стали по сравнению с углеродистыми сталями. Данный метод экономически целесообразно применять в крупносерийном или массовом производстве, Златоустовский металлургический завод таковым не является. Режим термообработки с объемной закалкой и самоотпуском не применим, так как не получается структура  и свойства, требуемые от полуфабриката. Структура получается бейнитная, свойства выше требуемых. Твердость НВ 350, σ_в= 1100 МПа, σ_0,2=980 МПа, δ=14 %.

 

 

С помощью программы «ТЕРLO» были произведены расчеты, с помощью которых доказали целесообразность использования той или иной среды в качестве нагревающей и охлаждающей. В таблице 11 приведены результаты расчета нагрева прутка диаметром 30 мм из стали 30ХГСА в воздушной среде.

Таблица 11—  Результаты полученные при расчете в программе «ТЕРLO»

Время, мин.	0	1	2	Градиент температур
L,см	0	0,75	2,25
0	20	20	20	0
0,3	34,5	20	20	14,5
3	260,3	245,3	230,4	29,9
6	450	436	422	28
9	598,6	587	575,3	23,3
12	704,8	696,2	687,4	17,4
16	774,8	769	763	11,8
19	818,3	814,6	810,9	7,4
22	844,9	842,8	840,5	4,4
25	860,5	859,2	858	2,5
28	869,2	868,5	867,8	1,4
31	874	873,7	873,3	0,7
33	875,6	875,3	875	0,6

Так же для сравнения производили расчет нагрева в расплаве свинца, данные полученные в результате представлены в таблице 12.

Таблица 12 — Результаты полученные при расчете в программе «ТЕРLO»

Время, мин.	0	1	2	Градиент температур
L,см	0	0,75	2,25
0	230	20	20	210
0,4	615,5	411,5	219,9	395,6
0,8	751,5	625,3	476,7	274,8
1,2	811,2	736,3	640,1	171,1
1,5	841,9	798,2	739,5	102,4
1,9	858,8	833,6	799,2	59,6
2,3	868	853,5	833,5	34,5
2,7	873,1	864,8	853,2	19,9
3,1	876,1	871,3	864,6	11,5
3,5	877,7	875	871,1	6,6
3,8	878,7	877,1	874,9	3,8
3,9	878,8	877,3	875,2	3,6

 

    В таблице 13 приведены результаты расчета нагрева в соляной ванне.

Таблица 13 — Результаты полученные при расчете в программе «ТЕРLO»

Время, мин.	0	1	2	Градиент температур
L,см	0	0,75	2,25
0	20	20	20	0
0,2	139,6	20	20	119,6
0,4	397,3	265,6	146,9	250,4
0,8	567,4	454,4	339,4	228
1,2	678,2	590,2	494,6	183,6
1,5	748,7	684,2	610,6	138,1
1,9	793,7	748	693,8	99,9
2,3	822,8	790,9	752,2	70,6
2,7	842,3	820,6	793,8	48,5
3,1	855,2	840,7	822,5	32,7
3,5	863,7	853,9	841,7	22
3,8	869,2	862,7	854,5	14,7
4,2	872,9	868,5	863	9,9
4,6	875,3	872,4	868,7	6,6
5	876,9	874,9	872,5	4,4

На рисунке 7 показано распределение градиента температур по сечению прутка диаметром 3 см.

 

Рисунок 7 - Диаграмма распределения градиентов температуры при нагреве в различных средах

Расчеты вели по трем нагревающим средам. Это воздух, расплав свинца и расплав соли. Как видно из диаграммы максимальная разница температур между поверхностью и центром при нагреве в свинцовой ванне, потому что в ней происходит скоростной нагрев. Такая скорость нагрева объясняется высоким коэффициентом теплоотдачи, который равен 1000 Вт/м²*К при нагреве до 900 ⁰С. При нагреве в воздушной среде наблюдается минимальный градиент температур, что тоже объясняется коэффициентом теплоотдачи, равным ≈180 Вт/м²*К при нагреве до 900 ⁰С. На рисунке 8 показана длительность нагрева в каждой из сред.

Рисунок 8 - Диаграмма времени нагрева в различных средах

Расчет показал, что самый длительный процесс нагрева в воздушной атмосфере, что так же объясняется низким коэффициентом теплоотдачи. Минимальное время нагрева в расплаве свинца. Для получения качественных полуфабрикатов, снижения брака после термической обработки целесообразно применять нагрев в воздушной среде, так как возникает минимальный перепад температур между поверхностными слоями и центральными, а, следовательно, и минимальные остаточные напряжения. При повышении остаточных напряжений после термической обработки увеличивается риск образования трещин, коробления и деформации.

В качестве охлаждающих сред рассматривались вода, масло и воздух. На рисунке 9 показано распределение градиентов температуры между поверхностью и центром при охлаждении в каждой из сред.

Рисунок 9 - Диаграмма распределения градиентов температуры при охлаждении в различных средах

Как видно из диаграммы минимальный градиент соответствует охлаждению на воздухе, а максимальный при охлаждении в воде. Среднее значение градиента получили при охлаждении в масле. На рисунке 10 показано время процесса охлаждения в каждой из сред.

Рисунок 10 - Диаграмма времени нагрева в различных средах

Максимально время охлаждения соответствует охлаждению на воздухе, а минимальное охлаждению в масле. Такие закономерности так же объясняются коэффициентом теплоотдачи. Для воздуха он равен 30-50 Вт/м²*К, для масла 300-500 Вт/м²*К. Воздух в качестве охлаждающей среды применять нельзя, так как она не охлаждает с необходимой скоростью, скоростью превышающей критическую, значит не получится необходимой структуры и соответственно свойств. Следует применить масло, так как время охлаждения в нем минимальное.

Исходя, из расчетов можно сделать следующие выводы. В качестве нагревающей среды выбираем воздух, как самую оптимальную среду, которая обеспечит необходимые условия процесса, исключит большие внутренние напряжения. Оптимальной охлаждающей средой является масло. Длительность охлаждения в ней минимальна, градиент меньше, чем при охлаждении в воде. Воду для легированных сталей нельзя применять, так как скорость ее охлаждения слишком высокая, что может вызвать возникновение высоких остаточных напряжений, которые приведут к трещинам, короблению и нежелательной деформации.