Файл: Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

вается после определения іцмі. Конечно, температура металла в центре находится лишь при условии, что заготовка представлена массивным телом, ибо в противном случае температуры на поверх­ ности и в центре мало отличаются между собой.

Для термических и камерных печей первая зона температурного графика соответствует завершению основного нагрева металла. Рабочее пространство печи, где происходит основной нагрев, можно представить одной или несколькими регулируемыми зонами. Все это определяется размерами печи, и в частности отношением ее длины к среднему размеру поперечного сечения. Если зона основного на­ грева очень длинна и регулирование температуры в ней затруднено, то она разбивается на несколько регулируемых зон, в которых под­ держивается одинаковая температура. Как видно, одной зоне тем­ пературного графика может соответствовать несколько регулируе­ мых зон печи.

Ликвидация неравномерности прогрева заготовки или изделия по сечению при термообработке достигается загрузкой металла в зону выдержки (зона, следующая за основным нагревом), причем температурой центра металла на выходе из зоны выдержки задают­ ся исходя из допустимого перепада температур в расчетном сечении. В камерных печах зоны выдержки нет, и поэтому металл выдержи­ вается в той же камере, где происходил основной нагрев. Темпера­ тура металла на поверхности в обоих случаях рассчитывается. В нагревательных печах температура металла на его поверхности при поступлении в сварочную зону принимается равной температуре операции ковки, штамповки или прокатки. Значения ее могут быть взяты из справочной литературы или соответствующих технологиче­ ских карт. Здесь также требуется определить температуру металла на выдаче из печи.

Для этого целесообразно предположить, что температура метал­ ла в центре заготовки по истечении времени выдержки принимает значение температуры операции нагрева. Температура же металла на поверхности, как и в случае термообработки, рассчитывается в соответствии с допустимым перепадом температур по сечению.

На характер температурного графика значительно влияет тем­ пература дымовых газов в зонах. При термообработке температура продуктов сгорания топлива в каждой зоне печи условно принимает­ ся постоянной. Ее абсолютное значение выбирается таким, чтобы между газами и поверхностью металла во всех сечениях зоны под­ держивался определенный температурный напор. Этот напор для термических и нагревательных печей определяется в соответствии с термофизическими свойствами нагреваемого металла и целым рядом факторов технологического характера. Обычно он составляет 50—250° С. Причем для томильной зоны методических нагреватель­ ных печей его значение на 50—100° С ниже, чем для сварочной. В камерных печах порядок температурного напора тот же.

15

2.3. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГРАФИКИ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ

При построении температурного графика термообработки при­ ходится учитывать целый ряд факторов, в том числе скорости на­ грева и охлаждения. Что касается скоростей.охлаждения, то при закалке они принимаются всегда выше критических. Скорости нагрева (определяющие температурные перепады At) металла мо­ гут быть самые разнообразные (но не более 210° С для крупных поковок). В основном скорость нагрева зависит от требуемого тер­ мообрабатываемого слоя, а также допустимой разности температур.

Процесс термообработки расчленяется на три этапа: нагрев изделия с заданной скоростью до требуемой температуры (на по­ верхности изделия); выдержка при этой температуре с целью вырав­ нивания температуры изделия или заготовки по сечению (выдержка изделия в печи нужна только для массивных тел, у которых наблю­ дается значительная неравномерность прогрева металла по сече­ нию); в отдельных случаях, как это имеет место при цементации, требуется дополнительная выдержка, вызванная необходимостью образования требуемой структуры цементируемого слоя и охлажде­ ние с заданной скоростью. Металл охлаждается в водных растворах солей, масле, различного рода эмульсиях и пр. При закалке зона охлаждения печи отсутствует, так как при такой операции требуют­ ся высокие скорости охлаждения, превосходящие критические, и осу­ ществить этот процесс в рабочем пространстве печи, где интенсив­ ность теплообмена сравнительно невелика, невозможно.

Выбрать параметры и построить температурные графики термо­ обработки можно, используя данные работ [1]—[3] и соответствую­ щих технологических карт. Ниже в качестве примера рассмотрим некоторые температурные графики отдельных видов термообра­ ботки.

Как известно, Процесс з а к а л к и представляет собой разно­ видность термической обработки, обусловливающей получение не­ равновесных структур превращения или распада аустенита при рез­ ком его переохлаждении со скоростью выше критической. В соответ­ ствии со сказанным закалка осуществляется нагревом стали до заданной температуры, выдержкой при этой температуре (для вы­ равнивания температуры в сечении) и быстрым охлаждением. Процесс охлаждения протекает вне печи в специальной закалочной ванне. Согласно технологии, закалочные печи могут быть одно-, двух- и трехзонными. Однозонной печь выполняется для отдельных видов закалки и Ві<0,5.

На рис. 2.2—2.5 изображены примерные температурные графи­ ки для различных видов закалки. Заметим, что процесс закалки подразделяется: по условиям нагрева (полная Зп и неполная за­ калка Знп); по условиям охлаждения и изменению структуры (сту­ пенчатая изотермическая З ст, изотермическая на тростит З„30.т, закалка изотермическая на сорбит 3 І13о.с, прерывистая Зпр, закалка с подстуживанием Зпст, закалка с самоотпуском З со); по условиям воздействия внешних факторов (закалка светлая З св, чистая Зч, под

16

давлением Здвл); по условиям изменения структуры или твердости на поверхности и сечению (закалка местная дифференциальная Зм.д, поверхностная Зп0в).

В каждом конкретном случае выбор числа температурных зон печи и организация их режима должны согласовываться с видом закалки.

Так, полная закалка Зп осуществляется нагревом изделия до температуры, несколько большей интервала превращений — точки Іасз- Такой нагрев осуществляется в первой зоне печи, причем на

выходе из зоны поверхность металла должна быть нагрета до тем­ пературы ^пмі= ^асз+ (20—30°С). Затем металд—ноступает D-ao»y— выдержки, где выдерживается при температуре ^ | ^ сге^енйе вре- _

2 Зак. 581

меня, необходимого для выравнивания температуры в контрольном сечении изделия. Во второй зоне печи температура дымовых газов несколько ниже, чем в первой зоне. Это делается с тем, чтобы не вызвать перегрева поверхности выше температуры + с 3+ ( 20—30°С). Охлаждение изделия происходит вне печи. Как видим (рис. 2.2),

Полная закалка применяется для отливок, поковок и механически обработанных деталей с целью получения высокой твердости, высо­ ких механических свойств и износостойкости. Быстрорежущие стали

же для инструмента), при повышенных требованиях минимальной деформации в процессе термообработки. Требуемые механические свойства изделий, подвергнутых ступенчатой закалке, получаются после соответствующего отпуска. Ступенчатая закалка состоит из нагрева изделия или заготовки до температуры Сѵс3+ (20—30° С) (первая зона), выдержки при этой температуре (вторая зона) для выравнивания температуры по сечению (как и в случае Зп, темпе­ ратура продуктов сгорания во второй зоне несколько ниже, чем в первой зоне), быстрого охлаждения в жидкости до заданной тем­ пературы и выдержки при этой температуре.

Температура охлаждающей жидкости при ступенчатой закалке обычно принимается равной +.п+ (2 0 —40° С) (+.ц— температура начала мартенситного преобразования), а при закалке быстрорежу­ щих сталей — +.3+350° С. В качестве охлаждающей жидкости используются расплавы едких щелочей (поверхность изделий полу­ чается светлой). Масло применяется только для ступенчатой закалки после цементации.

Поверхностная закалка Зп0в (рис. 2.4) включает нагрев с боль­ шой скоростью до температуры на поверхности + с 3+ (2 0 —30° С) и, минуя выдержку, быстрое охлаждение. Применяется для деталей машин, а также инструментов, которые имеют высокую прочность и твердость поверхностного слоя, обладают высокой износоустойчи­ востью и повышенной усталостной прочностью. При такой закалке получается минимальная деформация изделия (по сравнению с за­ калкой объемной).

Широкое распространение получил способ поверхностной за­ калки с нагревом т. в. ч. и частично газокислородным пламенем. Такая закалка применяется для шеек коленчатых валов, шеек и ку­ лачков распределительных валов, поршневых пальцев, гильз цилин­ дров двигателей внутреннего сгорания, зубьев шестерен, валов шпинделей и направляющих станков, изготовляемых главным обра­

18

действия внешних факторов: отжиг светлый ОтжСв и Я св; по усло­ виям изменения структуры: сфероидизирующий отжиг ОтжСф-

Для построения типовых температурных графиков рассмотрим технологию некоторых видов отжига.

Полный отжиг Отжа (рис. 2.6) осуществляется нагревом стали до температуры #ас3+ (30—50°С), выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением с печью до температуры 400—600° С. Дальнейшее охлаждение происходит вне печи на воздухе. Как видно

из рисунка, температурный график для полного отжига должен иметь три температурные зоны (В і^ В і1ф): нагрева, выдержки и охлаждения.

Полный отжиг применяется для отливок, проката и поковок из доэвтектоидной углеродистой и легированной сталей (60, 35Г2, 45Г2, 50Г, 60Г, 40Х, 45Х, 40СХ, 40ХН, 45ХН, 37ХНХА, 35ХГС и др.).

Неполный отжиг Отж11П(рис. 2.7) производится нагревом стали до температуры, несколько выше іАс„ но ниже tAc„ выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением. Применяется для заэвтектоидных сталей или сортового проката и поковок из доэвтекто­ идной стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Время пребывания стали в печи нахо­ дится из температурных графиков.

Для снятия внутренних напряжений после сварки изделий или механической черновой обработки заготовок из легированной стали применяется Отжит (рис. 2.8) или высокий отпуск Ов. Операция Отжпт состоит из нагрева заготовки или изделия до температуры tAc,, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе.

Аналогичный вид имеют температурные графики других видов отжига [J]—[3].

Как уже говорилось, закалке сопутствует операция отпуска О. О т п у с к — это процесс термообработки предварительно закален­

20

ной стали. Применяется после закалки (нормализация) стальных отливок, проката, поковок и механически обработанных деталей. Осуществляется отпуск (О) нагревом металла до температуры ниже точки tAC,, выдержкой и последующим охлаждением. По характеру нагрева отпуск подразделяется на высокий Ов или Огжнт и низ­ кий О,.,. Так же применяется многократный отпуск Омкр.

Отпуск 0„ (рис. 2.9) состоит из нагрева предварительно зака­ ленной стали до температуры в интервале 140—230° С, выдержки

отпуск применяется для деталей, подвергнутых цементации, циани­ рованию и поверхностной закалке с целью снятия внутренних на­ пряжений.

Многократный отпуск ОМКр применяется главным образом для инструментов из быстрорежущей стали, характерен многократным (2—4 раза) повторением нагрева до заданной температуры с после­ дующим полным охлаждением на воздухе.

Построение температурных графиков химико-термической обра­ ботки (цементирование, цианирование, азотирование, сульфидиро­ вание) подчиняется всем основным положениям, изложенным выше, так как любой из процессов химико-термической обработки проис­ ходит при взаимодействии внешних газовых или жидких сред с по­ верхностью металла путем адсорбции и диффузии активного элемен­ та в атомарном состоянии внутрь металла, что сопряжено со значи­ тельным временем. Поэтому при определении продолжительности нагрева металла в печи учитывается время тНас-

В качестве примера цементации на рис. 2.10 показаны графики, позволяющие выбирать значения т Нас в зависимости от толщины цементованного слоя А и температуры металла. В остальных слу­ чаях химико-термической обработки изделий для выбора величины Time может быть рекомендована литература [3, 4, 25].

21