а, б - стыковое; в - клеемеханическое; г - муфтой и враструб

Рисунок 15.11 Соединения трубопроводов

Раструбные и муфтовые соединения труб (рис. 15.11, г) от клеемеханических отличаются тем, что обжатие муфты или раструба не выполняется. Основным дефектом клеевого соединения является его недостаточная прочность, которая может быть вызвана следующими причинами:

* плохой очисткой склеиваемых поверхностей;

* неравномерным нанесением клея на склеиваемые поверхности (недостаток или избыток клея на отдельных участках);

* отвердением клея до соединения поверхностей;

* недостаточным давлением на детали при склеивании;

* недостаточным температурным режимом и недостаточным временем просушивания соединения.

Для устранения этих недостатков необходимо очистить поверхность от клея, вновь очистить и обезжирить ее, а также соблюдать температурный и временной режим при выполнении клеевых соединений.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит выбор клея для выполнения клеевого соединения?

2. С какой целью выполняется зачистка и обезжиривание поверхностей, подлежащих склеиванию?

3. В чем особенность выполнения клеевых соединений труб?



ТЕМА 16. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Студент должен:

знать:

виды термообработки;

назначение закалки, отпуска, нормализации, охлаждения.

уметь:

выполнять закалку деталей в соответствии с техническими условиями;

назначать температурный режим по диаграмме Fе₃С.

Оснащение рабочего места: муфельная печь; клещи, очки, рукавицы, охлаждающие жидкости, детали, диаграмма состояния Fе₃С.

Термической обработкой металлов и сплавов называется процесс изменения внутреннего строения (структуры) металлов и сплавов путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Термической обработке подвергают заготовки (кованые, штампованные, литые и др.) и готовые детали. Заготовки подвергают термической обработке в целях улучшения их структуры и снижения твердости, а обрабатываемые детали - для придания им необходимых свойств: твердости, прочности, износостойкости, упругости и др.

Изменяя температуру и продолжительность нагрева, температуру и продолжительность выдержки, и скорость охлаждения, можно сообщить стали одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т.е. делать ее твердой или мягкой, в различной степени пластичной, хрупкой и т.п. Совокупность этих условий называется режимом термической обработки.

В зависимости от температуры нагревания и условий охлаждения различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличаются друг от друга скоростью и температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Температура нагрева при отжиге, нормализации и закалке зависит от содержания углерода.

Отжигом называют такую операцию, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг повышает обрабатываемость стали резанием, а также обрабатываемость без снятия стружки.

Целью отжига является:

- уменьшение внутренних напряжений в деталях после механической (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, - неполный отжиг.

Низкотемпературный отжиг. Неравномерность охлаждения стального проката или поковок приводит к образованию внутренних напряжений в металле, которые, в необработанной заготовке не проявляются и обнаруживаются только при односторонней ее обработке. Волочение, прокатка, строгание, точение, фрезерование и др. вызывают возникновение в заготовке внутренних напряжений, которые должны быть уменьшены или полностью устранены перед закалкой изделия. В таких случаях достаточно нагреть заготовку до температуры 500-600⁰С.

Полный отжиг применяют главным образом после горячей обработки деталей (ковки и штамповки), а также для обработки литья из углеродистых и легированных сталей. Основной целью полного отжига кованых и литых деталей является измельчение зерна. Полный отжиг осуществляется путем нагрева стали на 30-50⁰С выше линии GSK (точка А_с3) (рис. 16.1), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. Время выдержки при нагреве должно быть достаточным для прогрева изделий по всему сечению.

Неполный отжиг. Если до отжига структура стали удовлетворительная, но сталь обладает повышенной твердостью и в деталях имеются внутренние напряжения, применяют неполный отжиг. При неполном отжиге сталь нагревают до температуры, на 30-40⁰С превышающей нижнюю критическую точку А_с1, т.е. до 750-760⁰С. Замедленное охлаждение или длительная выдержка стали при температурах 680-750⁰С способствуют образованию крупнозернистости, облегчающей обрабатываемость стали.

Для мягких сталей с содержанием углерода до 0,4-0,5% неполный отжиг применяется редко. Для инструментальных сталей неполный отжиг является единственным видом отжига. Он способствует снятию внутренних напряжений и улучшению обрабатываемости.

Изотермический отжиг в отличие от полного отжига заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50⁰С выше точки А_с3 (конструкционные стали) или выше точки А_с1 на 50-100⁰С (инструментальные стали) и после выдержки охлаждают в расплавленной соли до температуры ниже точки А_r1 на 30-100⁰С (680-700⁰С). При этой температуре сталь подвергают выдержке, а затем охлаждают до комнатной температуры. Температура изометрической выдержки (650-700⁰С) оказывает значительное влияние на свойство стали.

Основное преимущество изометрического отжига состоит в том, что он позволяет сократить длительные циклы, применяемые при указанных отжигах деталей из легированной стали, которые требуют очень медленного охлаждения для снижения твердости.

Диффузионный отжиг (гомогенизацию) применяют, чтобы выровнять (путем диффузии) химический состав стали в слитках и крупных отливках. Диффузионный отжиг осуществляют при высоких температурах (1100-1200⁰С) с выдержкой от 10 до 15ч при этой температуре, а затем медленно охлаждают до 600-550⁰С.

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

Отжиг на зернистый перлит применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, с целью понизить их твердость и улучшить обрабатываемость резанием. Для отжига сталь нагревают немного выше А_с1 и после выдержки при рабочей температуре в течение 3-5ч медленно охлаждают (со скоростью 30-50⁰С в час) сначала до 700⁰С, затем до 650-600⁰С и далее на воздухе.

Рекристаллизацинный, или низкий, отжиг применяют для исправления искажений кристаллической решетки, полученных при холодной прокатке, волочении или холодной штамповке. Отжиг производят нагреванием стали до температуры ниже точки А_с1 (630-650⁰С) с выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением, в результате чего вместо деформированной (вытянутой) структуры получают мелкозернистую, равноосную, мягкую и вязкую структуру.

Нормализацией называется операция нагрева стали на 30-50⁰С выше линии GSE (точки А_с3 - для конструкционной стали или А_ст - для инструментальной стали) с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализации подвергаются штампованные и кованные заготовки из углеродистой и легированной стали. Цель нормализации - улучшение микроструктуры стали, повышение механических свойств и подготовка к последующей термической обработке. Нормализацией 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 повышенную ударную вязкость. Для некоторых марок углеродистой и специальных сталей нормализация является окончательной операцией термической обработки, так как в результате нормализации сталь приобретает требуемые свойства.

Закалкой называют такую операцию термической обработки, 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.

Цель закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износоустойчивостью и другими важными свойствами, повышающими эксплуатационную надежность и долговечность обрабатываемых деталей и инструмента. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени и скорости охлаждения.

Температуры нагрева. При закалке конструкционные стали нагревают на 20-40⁰С выше линии GS (точки А_с3), а инструментальные стали - на 30-50⁰С выше линии PSK (точки А_с1), выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению детали, и быстро охлаждают. Быстрорежущие, нержавеющие и другие высоколегированные стали закаливают при более высоких температурах нагрева: быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260-1280⁰С, а нержавеющую сталь (например, 4Х13) - при температуре 1050-1100⁰С. При выборе режимов закалки пользуются соответствующими справочниками.

Допускаемая скорость нагрева металла при термической обработке зависит от типа нагревательного устройства, массы одновременно нагреваемого металла, его химического состава, теплопроводности, степени однородности и чистоты, а также формы, размеров деталей и температуры нагрева.

Увеличение скорости нагрева сокращает длительность термической 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 внутренних напряжений, которые вызовут коробление и даже образование трещин 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, достигается высокая скорость нагрева. Таким методом главным образом нагревают мелкие детали - пружины, шпильки, гайки и т.п.

Медленно нагревают детали до температуры 500-600⁰С, затем 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 углеродистых сталей, на 25-50%, а высоколегированных на 50-100%. После нагрева до заданной температуры детали выдерживают в течение определенного промежутка времени для выравнивания температуры по всему сечению детали и завершения структурных превращений.

Закалочные среды применяют следующие: воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла (веретенное 2 и 3; машинное Л, С, СУ и трансформаторное).

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

Способы закалки. Основными способами закалки являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, ступенчатая, с подстуживанием, самоотпуском и изометрическая.

Закалка в одном охладителе состоит в погружении нагретых изделий в жидкость (вода для углеродистых сталей, масло для легированных), где оставляют их до полного охлаждения. Такой способ закалки применяется для закалки изделий простой формы.

Недостаток его заключается в том, что в результате большой разницы в температурах нагретого металла и охлаждающей среды в деталях возникают большие внутренние напряжения, называемые термическими, которые вызывают трещины и коробления и другие дефекты.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка, состоит в следующем. Нагретые детали сначала быстро охлаждают в воде до температуры 300-400⁰С, а затем быстро переносят для полного охлаждения в масло. Такую закалку применяют обычно для высокоуглеродистых инструментальных сталей. Недостаток прерывистой закалки состоит в том, что трудно установить время пребывания детали в первой среде, так как оно очень мало (1 сек на каждые 5-6 мм сечения детали). Излишняя выдержка в воде вызывает коробление и появление трещин.

Ступенчатая закалка, предложенная русским ученым-металлургом Д.К. Черновым, заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают в расплавленной соли или в масле (температура которых должна быть 240-250⁰С), выдерживают в этой среде, а затем переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента с небольшим сечением, 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 прокаливающиеся углеродистые и легированные стали 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Закалка с подстуживанием применяется для уменьшения разницы в температурах металла и закалочной среды, если, нагрев детали проведен до температуры, значительно превышающей температуру закалки данной стали.

Нагретую деталь перед погружением в закалочную среду выдерживают (подстуживают) некоторое время на воздухе. При подстуживании необходимо, чтобы температура детали не опускалась ниже точки А_r3 для конструкционных сталей и ниже точки А_r1 для инструментальных. Цель этого способа закалки - уменьшение внутренних напряжений и коробления деталей, особенно цементованных.

Закалка самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения; иногда в закалочную среду погружают только часть детали, для которой требуется высокая твердость. В некоторый момент охлаждение прерывают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, за счет которого осуществляется отпуск. Этот момент устанавливается опытным путем, качество закалки в этом случае зависит от мастерства термиста. Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по так называемым цветам побежалости, возникающим на поверхности детали при температуре 220-330⁰С. 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.

Изотермическая закалка - наиболее прогрессивный способ закалки, его применяют в том случае, когда нужно изготовить деталь с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Сталь, нагретую на 20-30⁰С выше линии GSK (точка А_с3), быстро охлаждают в соляной ванне, имеющей температуру 250-300⁰С, выдерживают в этой горячей среде (изотермическая выдержка), а затем деталь охлаждают на воздухе.

Этот способ закалки позволяет снизить термические напряжения, так как после изотермической выдержки структурные изменения в стали уже не происходят. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, труб и других изделий из легированных сталей 6ХС, 9ХС, ХВГ и др.

Патентирование стали состоит в нагреве деталей до температуры 800-900⁰С, выдержке и охлаждении в ваннах с расплавленным свинцом (500 - 600⁰С) и последующей обработке давлением. После патентирования сталь приобретает высокую прочность, обладает высокой упругостью и хорошей пластичностью.

При обычном охлаждении закаливаемых деталей необходимо соблюдать следующие правила:

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

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

- для удаления образующейся вокруг погружаемой в жидкость детали паровой рубашки, препятствующей свежему притоку воздуха, обрабатываемую деталь следует перемещать в вертикальном и горизонтальном направлениях;

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

Приемы погружения деталей при закалке показаны на рис.16.2. На образование трещин оказывает влияние форма углов у детали. Поэтому углы, особенно острые, необходимо закруглять и тщательно 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 сердцевины и уменьшаются в объеме быстрее, чем стержень. Поэтому в углах зубьев создаются сильные напряжения, вызывающие трещины.

Часто требуется, чтобы деталь машины имела очень твердую износостойкую поверхность, но, чтобы ее сердцевина при этом оставалась вязкой, прочной, хорошо переносила удары и знакопеременные 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.

Пламенная закалка.

Поверхность стального или чугунного изделия подвергается нагреву ацетиленокислородным пламенем до температуры, превышающей на 50-60⁰С верхнюю критическую точку А_с3 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 количество тепла, распространяемого в глубь металла. В результате этого поверхность детали сначала быстро нагревается до температуры закалки, затем охлаждается, а сердцевина остается незакаленной и после охлаждения не изменяет свою структуру и твердость.

Для пламенной закалки поверхности применяются разнообразные устройства - от простых ручных до сложных автоматов. Обычная кислородно-ацетиленовая горелка непригодна, поэтому применяют щелевые или форсуночные горелки, состоящие из большого количество сопел, или же горелки, имеющие смесительную камеру и несколько отверстий. В горелках сжигают ацетилен или светильный газ, оба газа применяют с кислородом.

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

Качество пламенной закалки поверхности зависит, прежде всего, от температуры пламени и от того, насколько правильно охлаждение струей воды. Глубина и температура нагрева регулируются скоростью перемещения горелки и расстоянием горелки от изделия.

1 - горелка, 2 - трубка с водой, 3 - закаленный слой

Рисунок 16.3 Схема пламенной закалки

На рис.16.3 приведена схема пламенной закалки. Горелку 1 перемещают вдоль поверхности нагреваемого изделия со скоростью 120-200 мм/мин. При такой скорости поверхностный слой металла нагревается до температуры 850⁰С.

Расстояние от пламени горелки до поверхности изделия зависит от мощности горелки и обычно составляет 8-15 мм. Охлаждается нагретый слой изделия водой из трубки 2, следующей за горелкой с такой же скоростью. Глубина закаленного слоя 3 равна 2,5-4,5 мм.

Закаленный слой получает высокую твердость HRC 56-57 и остается чистым, без следов окисления и обезуглероживания. Переход структуры от поверхности к сердцевине плавный, что повышает эксплуатационную стойкость детали и полностью устраняет вредные явления - растрескивание и отслоение закаленных слоев. Другим достоинством этого способа является простота и низкая стоимость оборудования, отсутствие обезуглероживания и окисления.

Недостатком ацетиленокислородной закалки является трудность регулирования температуры нагрева и глубины закаленного слоя, возможность перегрева поверхностного слоя.

Закалка в электролите. При этом способе, предложенном советским инженером И.З. Ясногородским, изделие помещают в электролит 4 (5%-ный раствор Na₂SO₃). Корпус 5 (рис.16.4) ванны является анодом, деталь 1 служит катодом. Постоянный ток поступает от генератора 3. При прохождении через электролит тока напряжением 220-380в 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 900-940⁰С. После этого ток выключают, а деталь закаливают в самом электролите или в закалочном баке.

1 - деталь, 2 - пузырьки, 3 - генератор, 4 - электролит, 5 - корпус

Рисунок 16.4 Закалка в электролите

Закалка в электролите проста, позволяет нагревать отдельные места детали, например, торца, дает возможность автоматизировать процесс. К недостаткам этого способа относятся трудность регулирования температуры, низкая производительность, ограниченное число деталей, поддающихся закалке, и необходимость предохранения их от коррозии.

Поверхностная закалка токами высокой частоты дает возможность в короткое время получить на изделии хорошо сопротивляющийся износу поверхностный слой при мягкой и вязкой сердцевине. Этот способ разработан В.П. Вологдиным. При закалке нагреваемое изделие помещают внутри медной спирали, по которой пропускается ток высокой частоты. Этот ток создает вокруг спирали сильное переменное магнитное поле, поэтому в стальном изделии индуктируются вторичные короткозамкнутые (вихревые) токи, которые сосредоточены только на поверхности изделия и нагревают его на определенную глубину. Чтобы спираль первичного тока не нагревалась, ее делают из медной трубки, через которую пропускают воду. Такие спирали называются индукторами.

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

Для получения тока высокой частоты применяются машинные и ламповые генераторы. Скорость и температура нагрева зависят от зазора между индуктором и нагреваемой деталью: чем меньше этот зазор, тем быстрее деталь нагревается до заданной температуры. Обычно зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляют 2-5 мм.

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

Для закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки (рис.16.5,а); вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. Деталь в индукторе должна вращаться. После нагрева реле времени отключают индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

а - одновременный, б, в - непрерывно-последовательный, г - последовательный; 1 - детали, 2 - индуктор, 3 - закалочное устройство, 4 - шланг. Рисунок 16.5 Способы высоко- частотной закалки

Детали значительной длины закаливают непрерывно-последовательным способом (рис.16.5, б). Вал 1 вращается вокруг вертикальной оси и перемещается внутри индуктора 2 сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и зону охлаждения закалочного устройства 3, к которому по шлангу 4 подается вода. Непрерывно-последовательную закалку стальных плит выполняют при помощи плоских индукторов (рис. 16.5, в).

Для закалки отдельных участков детали применяют способ последовательной закалки: поверхность нагревается и охлаждается по частям, например, каждый зуб зубчатого колеса (рис.16.5, г).

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

Обработка холодом (при отрицательных температурах) является новым методом термической обработки, разработанным советскими учеными А.П. Гуляевым, С.С. Штейнбергом, Н.А. Минкевичем. Обработке холодом подвергают инструменты и детали, содержащие не менее 0,6% углерода. Обычно этот метод применяют для инструментов, изготовленных из стали Р18, деталей - из цементируемых сталей 18ХНВА и из других легированных сталей. Обработку холодом применяют с целью повышения красностойкости и твердости стали.

Обработку холодом проводят сразу после остывания закаленных изделий до комнатной температуры путем их погружения в среду, имеющую температуру ниже нуля. После выдержки изделия извлекают на воздух. Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всего изделия и выравнивания температур по сечению. Охлаждают изделие до отрицательных температур в смеси твердой углекислоты (сухой лед со спиртом, дающий охлаждение до -78⁰С) либо в жидком азоте (-196⁰С). Кроме того, применяют холодильные установки, позволяющие изменять температуру рабочей камеры в больших пределах.

Отпуском называется процесс термической обработки, применяемый после закалки стали с целью устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости, понижения твердости, увеличения вязкости и улучшения обрабатываемости.

Отпуск заключается в нагреве стали до температуры ниже линии PSK (точки А_с1), (см.рис.16.1), выдержке при этой температуре с последующим охлаждением в воде, масле или другой среде. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют для обработки режущего и измерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных сталей, шариков и роликов шарикоподшипников и др. Низкий отпуск осуществляют при температуре 150-250^оС с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе.

В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость HRC 60, устраняется хрупкость, снимаются внутренние напряжения.

Средний отпуск применяют для инструментов, которые должны обладать значительной прочностью и упругостью при средней твердости HRC 35-47, а также для некоторых деталей (пружин, рессор). Этот отпуск производится при температуре 300-500⁰С.

Высокий отпуск (500-600⁰С) применяется с целью полностью снять внутренние напряжения, придать деталям высокую вязкость при условии сохранения достаточной твердости. Высокому отпуску подвергаются детали машин из конструкционной стали, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые колеса, валы, шатуны и т.д.

Закалку и отпуск инструментов простых форм (бородков, кернеров, зубил и т.д.) обычно осуществляют с одного нагрева (закалкой с самоотпуском). Нагретый под закалку инструмент охлаждают не весь, а "замачивают" только его рабочую часть и, не вынимая из закалочной среды, перемещают в вертикальном направлении. Этим достигается равномерное изменение свойств металла. Отпуск рабочей части происходит после того, как инструмент вынут из охлаждающей жидкости, за счет тепла, сохранившегося в неохладившейся внутренней части инструмента. Рабочую часть инструмента быстро защищают старым напильником, куском обломного шлифовального круга или шлифовальной шкуркой. При появлении на поверхности рабочей части цвета побежалости, соответствующего необходимой температуре, инструмент вновь погружают в закалочную среду до полного охлаждения.

Таким образом, сердцевина инструмента, подвергнутого самоотпуску, будет иметь вязкость, необходимую, например, для зубила, которое должно выдерживать ударные нагрузки, испытываемые при рубке.

Старение закаленной стали. При низкотемпературном отпуске большая часть внутренних напряжений в закаленной стали остается. С течением времени они постепенно исчезают, в результате чего в металле наступает полное структурное равновесие. Самопроизвольное исчезновение внутренних напряжений при комнатной температуре весьма длительно и сопровождается изменением формы и размеров закаленных деталей. Этот процесс называют естественным старением. Изменение размеров в процессе естественного старения невелико и измеряется в микронах. Для деталей машин и режущего инструмента изменения размеров не имеют практического значения, поэтому их обычно не учитывают. Однако при изготовлении сверхточных машин, например, координатно-расточных станков, измерительных калибров, даже такие небольшие изменения недопустимы. Чтобы размеры деталей и инструмента не изменялись с течением времени и оставались стабильными, их подвергают искусственному старению.

Сущность искусственного старения состоит в том, что закаленные и отпущенные при низкой температуре детали и инструмент после предварительного шлифования сначала подвергают нагреву до 100-150⁰С, затем выдерживают при этой температуре в течение 18-35 ч. При таком нагреве и выдержке все процессы, вызывающие изменение размеров стали, протекают значительно быстрее, чем при комнатной температуре. Поэтому после старения размеры деталей и инструмента стабилизируются.

Искусственное старение чаще всего производится в масляных ваннах. При отсутствии в цехе масляных ванн искусственное старение производят в кипящей воде с выдержкой в течение 36ч.

Техника безопасности при термической обработке. Работы по термической обработке металлов выполняют в соответствии с правилами техники безопасности, указанными в специальной инструкции.

16.1 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей. Такой обработке часто подвергают детали с целью повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование, а также диффузионная металлизация.

Кроме указанных видов обработки, также применяют хромирование (насыщение поверхности слоя хромом), силицирование (насыщение кремнием), борирование (насыщение бором).

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель цементации - получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.

Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легированной) стали, содержащей углерода от 0,01 до 0,25%.

Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твердую, жидкую и газообразную.

Твердая цементация (в твердом карбюризаторе) является наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20-25%) и углекислого кальция (3-5%). Добавление к древесному углю углекислых солей ускоряет процесс цементации.

Процесс цементации заключается в следующем: поступившую после механической обработки деталь (с припуском на последующую обработку) перед цементацией тщательно очищают от окалины, грязи, ржавчины, масла и просушивают. Поверхности, не подлежащие цементации, покрывают огнеупорной глиной в смеси с 5-10% асбестового порошка или же слоем меди в гальванических ваннах.

Если нельзя предохранить поверхность указанными выше способами, цементируют всю деталь, а затем дополнительно закаливают те места, которые должны обладать высокой твердостью или износоустойчивостью.

1 - ящик, 2 - металлическая крышка, 3 - контрольные

прутки, 4 - огнеупорная глина, 5 - детали, 6 - карбюризатор

Рисунок 16.6 Цементация изделий

Обрабатываемые детали укладывают в специальный ящик (рис.16.6), изготовленный из жаростойкой стали, в следующем порядке: на дно ящика 1 насыпают слой порошкообразного карбюризатора 6 толщиной 25-30 мм и плотно утрамбовывают. На карбюризатор укладываются детали 5 на расстоянии 15-30 мм друг от друга, а затем снова насыпают карбюризатор слоем толщиной 15-20 мм и утрамбовывают; после этого укладывают второй ряд деталей и т.д.

Одновременно с укладкой обрабатываемых деталей в ящик помещают контрольные прутки 3 диаметром 6-10 мм и длиной 250 мм из такого же материала, как и материал детали. Эти прутки называются "свидетелями". В дальнейшем по излому прутков определяют глубину науглероженного слоя.

Толщина верхнего слоя карбюризатора 30-40 мм. Ящик плотно закрывают металлической крышкой 2, места между крышкой и стенками ящика промазывают огнеупорной глиной 4, ставят в холодную печь и постепенно нагревают до температуры 850-920⁰С; более высокая температура может вызвать чрезмерное науглероживание поверхности, низкая температура замедляет процесс.

Цементация при температуре выше 950⁰С, но не более 1000⁰ допускается только для легированных сталей. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя, например, цементация, стали при температуре 900⁰С в течение 5ч дает науглероженный слой глубиной 0,4 - 0,5 мм, а в течение 10ч - 1,0-1,3 мм.

По окончании цементации ящики выгружают из печей, охлаждение деталей производится медленно, вместе с ящиками. После цементации детали подвергают обязательной термической обработке: закалке в воде при температуре 760-780⁰С и низкому отпуску при температуре 160-180⁰С.

Отпущенные детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем закаливают при температуре 850-900⁰С и подвергают низкому отпуску (150-170⁰С).

Одним из существенных недостатков цементации в твердом карбюризаторе является значительная трудоемкость, загрязнение воздуха, невысокая производительность, большая длительность процесса. Для сокращения продолжительности цементации в качестве карбюризаторе применяют пасты, имеющие различный состав, например, кокса 50%, углекислого натрия или калия 40%, щавелевокислого натрия или калия 10% и др. Разведенную пасту наносят на детали и "свидетели" окунанием или кистью до получения слоя покрытия толщиной 2-3 мм, а затем высушивают при температуре 100-120⁰, после чего детали и "свидетели" укладывают в ящики.

Жидкостная цементация осуществляется путем погружения деталей в соляные ванны при температуре 830-850⁰С. Карбюризатором при этом являются расплавленные соли, содержащие 75-80% углекислого натрия (сода), 10-15% поваренной соли и 6-10% карбида кремния. Цементация происходит за счет атомарного углерода, выделяющегося в ванне при 820-850⁰С от взаимодействия солей с карбидом кремния. Длительность процесса составляет 0,5-2 ч. За 40-50 мин процесса глубина цементированного слоя не превышает 0,2 мм.

Цементации подвергают мелкие детали, глубина цементированного слоя не должна превышать 0,5-0,6 мм.

Преимуществом цементации в соляных ванных является равномерность нагрева и возможность непосредственной закалки после выемки из цементационной ванны. Процесс проходит быстрее, чем при цементации в твердой среде.

Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродсодержащих газов. Газовую цементацию (в окиси углерода) впервые применил П.П. Аносов в 1837 г.

Газовую цементацию стальных деталей осуществляют в герметически закрытых камерах (муфелях) печей периодического или непрерывного действия путем нагрева при температуре 930-950⁰С в среде углеродосодержащих газов, например, естественных, состоящих в основном из метана СН₄ и окиси углерода СО. Используют также жидкие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.

Продолжительность процесса устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементируемого слоя. Нагрев в газовом карбюризаторе и процесс насыщения поверхностного слоя являются более прогрессивными и экономичными по сравнению с твердой цементацией.

Контрольные вопросы:

Какие физико-механические свойства стали, могут быть изменены путем термической обработки?

В чем разница между деталями, прошедшими отжиг и нормализацию? Приведите примеры из вашей практики.

В каких случаях применяют закалку с нагревом металла в печах и в каких случаях нагрев осуществляют токами высокой частоты?

Назовите виды термической обработки стали и объясните их назначение.

Расскажите о процессе отжига стали. Какие виды отжига применяют?

Какие дефекты могут быть при закалке? Как их предупредить и устранить?

Как определяют температуру нагрева стали при закалке и отжиге?



ТЕМА 17. СВАРКА, РЕЗКА И НАПЛАВКА

Студент должен:

знать:

виды и сущность сварки, резки и наплавки;

область применения различных видов сварки, резки и наплавки;

инструменты и применяемое оборудование;

правила техники безопасности и пожарной безопасности при проведении сварочных работ.

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения металлических частей путем местного нагревания их до тестообразного или расплавленного состояния. Сварка может осуществляться с применением давления для сжатия свариваемых деталей или без применения его.

Сварку применяют при изготовлении железнодорожных вагонов, котлов, ответственных частей морских и речных судов, подъемно-транспортных сооружений, мостов, сельскохозяйственных машин и др. Очень широко сварка и резка металла используются в ремонтных и восстановительных работах, где они позволяют быстро и с наименьшими затратами восстановить изношенное или вышедшее из строя оборудование и сооружения (доменные печи, мосты, морские суда, газопроводные линии и т.д.).

Сварка применяется для соединений и наплавки разнообразных металлов: чугуна, стали, меди, бронзы, алюминия и др., для соединения металлов с неметаллами. Но не все металлы свариваются хорошо. Хорошо свариваются углеродистая сталь с содержанием углерода от 0,12 до 0,22%, низколегированные стали 20ХГС, 2ХМА и др. Ограниченно свариваются стали с содержанием углерода от 0,42 до 0,55%, низколегированные 30ХМА, 30ХГС и др. Плохо свариваются углеродистые стали с содержанием углерода более 0,55%, низколегированные 35ХГС, 40ХГС и др.

Сварным соединением называют соединение двух металлических частей, осуществленное сваркой.

На рис.17.1 изображены основные типы сварных соединений (швов). При сварке электрозаклепками верхний лист просверливается и отверстие заваривается так, чтобы сварка захватила поверхность нижнего листа.

а - стыковые, б - угловые, в - с накладками, г - тавровые, д - электрозаклепками

Рисунок 17.1 Виды сварных соединений и швов

Та часть сварного соединения, которая образуется расплавленным в процессе сварки, а затем затвердевшим металлом, называется сварным швом.

В зависимости от расположения шва на свариваемом изделии различают швы нижние (обыкновенные), верхние (потолочные), горизонтальные и вертикальные. Наиболее труден процесс сварки потолочных швов.

17.1 КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

Одним из признаков классификации способов сварки является применение давления для сжатия деталей в процессе сварки. Сварка может осуществляться:

- без приложения давления, путем расплавления металла свариваемых частей и слияния его; после затвердевания образуется шов (сварка плавлением);

- с применением давления, способствующего плотному контакту и взаимной диффузии металла в месте соприкосновения свариваемых частей (сварка давлением).

Сварка плавлением применяется шире вследствие меньшей стоимости, простоты оборудования и универсальности.

По виду используемой для сварки энергии сварка подразделяется на химическую, при которой для нагревания используется тепло химической реакции (например, горение твердого или газообразного топлива); к ней относятся газовая, кузнечная и термитная сварка; электрическую, при которой для нагревания используется электрический ток (электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная); механическую (сварка трением, холодная сварка); ультразвуковую; сварку электронным лучом, а также диффузионную сварку в вакууме. Наиболее распространенными являются электродуговая, электрошлаковая, электроконтактная и газовая сварка.

Кузнечная сварка применяется для низкоуглеродистых сталей. Она осуществляется при температуре, близкой к точке плавления стали (1350-1450⁰С), при проковке наложенных свариваемых концов. Этот старинный способ сварки трудоемкой и малопроизводительный, поэтому применяется редко.

Термитная сварка производится при помощи порошковой смеси одной части алюминия с тремя-четырьмя частями окиси железа. Термит легко зажигается и при бурном горении достигается температура 3000⁰С. Наплавленным железом заполняют стыки соединений. Этот способ удобен для сварки рельсов и др.

Сварка трением применяется для соединения стержней встык. В сварочной машине один стержень закрепляется неподвижно, другой вращается, касаясь торцом неподвижного. От трения температура повышается. По достижении пластического состояния вращение прекращают, стержни сдавливают, и они свариваются. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы.

Холодная сварка производится без подогрева, но при больших удельных давлениях. Она применяется для меди, алюминия, свинца, никеля, серебра и их сплавов. Холодная сварка делится на стыковую, точечную и шовную.

Ультразвуковая сварка основана на преобразовании ультразвуковых колебаний в механические, что приводит к пластической деформации поверхностей свариваемых деталей и срастанию кристаллов. Этот способ применяется для соединений металлов внахлестку, а также для сварки пластмасс.

Сварка электронным лучом производится путем помещения в вакуумную камеру изделий из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена и др.). На место, подлежащее сварке, направляют фокусированный электронный луч, под действием которого металл расплавляется и сваривается.

17.2 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА

Электрическая сварка металлов - русское изобретение.

Русский ученый Василий Владимирович Петров в 1802 г. открыл явление электрической дуги и показал возможность плавления металлов в дуге. В 1882г. русский инженер Николай Николаевич Бенардос предложил применить электрическую дугу для сварки металлов угольным электродом, а в 1888г. горный инженер Николай Гаврилович Славянов заменил графитовый электрод металлическим.

Электросварка подразделяется на дуговую и контактную. При дуговой сварке энергия, необходимая для нагрева и расплавления металла, выделяется электрической дугой. Сварочная дуга питается постоянным током от сварочных машин-генераторов и переменным током от сварочных трансформаторов. Дуговая сварка может быть ручной и автоматической. Автоматическая обеспечивает получение высококачественного шва и резко увеличивает производительность труда.

При электродуговой сварке электрический ток по одному проводу подводится к свариваемому металлу, а по-другому - к электродержателю, в котором зажат электрод. При приближении электрода к металлу между ними образуется электрическая дуга, расплавляющая металл.

При сварке листов 1 (рис.17.2) металлическим электродом 3 по способу Н.Г. Славянова электрод сам плавится в сварочной дуге 2 и образует жидкий металл, заполняющий промежутки между свариваемыми частями. Для повышения качества направляемого металла электрод покрывается специальной обмазкой, которая также расплавляется и покрывает капли жидкого металла слоем шлака, защищая его от вредного влияния кислорода и азота окружающего воздуха. Ток к электроду подводится через электрододержатель 4 по проводу 5.

Рисунок 17.2 Сварка по способу Н.Г.Славянова

Рисунок 17.3 Сварка по способу Н.Н.Бенардоса

При сварке листов 1 (рис. 17.3) угольным электродом 3 по способу Н.Н. Бенардоса электрод не плавится. Заполнение шва производится расплавлением проволоки 2, вводимый со стороны в пламя сварочной дуги 6. Ток к электроду подводится по проводу 5 через электрододержатель 4. Этот способ применяется редко, так как менее удобен и не дает высокого качества наплавляемого металла.

Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через свариваемый участок. Свариваемые детали в мест контакта нагревают до пластического состояния и сдавливают под определенным усилием, получая, таким образом, неразъемное соединение. Контактная сварка делится на стыковую, точечную и роликовую.

17.3 ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА

Газовая сварка относится к способам сварки плавлением. При этом способе сварки кромки свариваемых деталей соединяются швом совершенно так же, как при дуговой сварке, но источником тепла служит не дуга, а сварочное пламя, которое образуется при сгорании горючего газа (ацетилена, а также коксового и светильного газа, водорода, бензола и др.). Горючие газы, смешиваясь с кислородом, дают пламя 4 высокой температуры (около 3600⁰С - рис. 17.4, б).

а - схема процесса, б - строение пламени

Рисунок 17.4 Газовая сварка

При сварке горелку продвигают вдоль шва, соблюдая необходимый угол наклона мундштука и проволоки к свариваемой поверхности. Угол наклона мундштука (рис. 17.4, а) колеблется от 15⁰ (для сварки листов толщиной 1 мм) до 80⁰ (при толщине 15 мм и выше).

Подвод газового пламени осуществляется сварочной горелкой (рис.17.4, а), в которой происходит смешивание кислорода и горючего газа, а корпус 1 позволяет удерживать горелку в рабочем положении. На корпусе расположены вентили 2, регулирующие подвод кислорода и ацетилена. На конце горелки имеется мундштук 3, через который выходит из смесительной камеры горючая смесь.

Газовая резка применяется для разделения металла на части - при разрезке листового материала большой толщины, рельсов, сортового проката; при вырезке деталей сложного контура из толстого листа. Кроме резки, струей кислорода прожигают отверстия в металле толщиной от 100 до 3000 мм.

Газокислородную резку выполняют вручную и специальными машинами. Для ручной резки применяют универсальный резак, имеющий сменные мундштуки - два подогревательных и пять режущих. Конструкция резака (рис.17.5) в той части, где обеспечивается смешение горючей смеси, принципиально не отличается от сварочной горелки.

1 - наконечник, 2, 5, 6 - трубки, 3, 4, 7 - вентили, 8 - инжектор, 9 - смесительная камера

Рисунок 17.5 Ацетиленовый резак

Техника безопасности при выполнении сварочных работ. К обслуживанию сварочных установок и аппаратуры, к производству сварочных работ допускаются только рабочие, знающие правила техники безопасности и имеющие право на производство этих работ.

Контрольные вопросы:

Каково значение сварки в технике и народном хозяйстве?

Перечислите способы сварки, расскажите об особенностях их.

Какие примеси в металле влияют на свариваемость? Какие стали не свариваются?

Что такое контактная сварка и как она выполняется?

В чем заключаются особенности газовой сварки?

Как осуществляется термитная сварка?

Для выполнения каких работ применяют газовую резку металлов?

17.4 НАПЛАВКА

Наплавка занимает важное место в сварочной технологии и широко применяется при ремонте и восстановлении изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей, у которых необходимо обеспечить особые свойства поверхностей (например, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость).

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. При этом наплавленный слой составляет одно целое с основным металлом за счет образования металлических связей.

Для наплавки могут быть использованы различные источники нагрева: газовое пламя, электрическая дуга, высокочастотный нагрев, электрошлаковый процесс, луч лазера и др. Толщина наплавленного металла может быть различной: 0,5 - 10 мм и более.

Для того чтобы свойства наплавленного металла не существенно изменялись за счет "разбавления" его основным металлом при наплавке поверхностей с особыми свойствами, глубина проплавления металла изделия и соответственно доля его участия в образовании поверхностного слоя должны быть минимальными.

Наплавку можно выполнять ручным и механизированным способами. Механизированная наплавка обеспечивает более высокие качество и производительность. Для дуговой наплавки больших по площади поверхностей используют специальное оборудование, в которых плавящимся электродом является лента. Применяют ленточные электроды сплошного сечения и порошковые ленты. Порошковая лента имеет металлическую оболочку, внутри которой заключена шихта, содержащая шлакообразующие компоненты и легирующие добавки. При выполнении ремонтных работ по восстановлению изношенных поверхностей иногда весьма нежелательной оказывается деформация изделия, вызываемая неравномерным нагревом. Способ вибродуговой наплавки позволяет получать наплавленный слой с незначительной деформацией изделия.

Сущность его в том, что наплавку выполняют электродом 3 (рис.17.6), которому сообщают механические колебания в направлении изделия 1 с помощью электромагнита 4 с частотой 30-100Гц и амплитуды 0,5 - 1 мм. Электрическая дуга при этом периодически закорачивается на свариваемое изделие и снова возбуждается. При каждом замыкании частицы электрода остаются на поверхности изделия. В зону наплавки непрерывно подают охлаждающую жидкость (раствор щелочи) или струю воздуха через сопло 2. Принудительное охлаждение поверхности повышает твердость наплавленного слоя. Наиболее часто этот способ применяют при наплавке цилиндрических изделий небольшого диаметра при восстановлении изношенных шеек валов.

...