книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.Н. Некрасова, М.Ю. Симонов, Т.В. Некрасова
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА. СПОСОБЫ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2011
УДК 669:621.78:620.3 ББК 30.36
Н48
Рецензенты:
зам. гл. металлурга ОАО ПЗ «Машиностроитель» А.Д. Бухалов; профессор кафедры МТО А.С. Иванов
(Пермский государственный технический университет)
Некрасова, В.Н.
Н48 Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов: учеб. пособие / В.Н. Некрасова, М.Ю. Симонов, Т.В. Некрасова. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. – 248 с.
ISBN 978-5-398-00564-6
Рассмотрены особенности нагрева стали в газовых средах, расплавах солей и особенности индукционного нагрева; показано влияние охлаждения на формирование структуры и качество обработки. Рассмотрены условия формирования наноструктуры в компактных металлических материалах. Показано влияние индукционного нагрева на формирование структуры и свойств поверхностного слоя изделий и возможность использования быстрых нагревов и термоциклической обработки на резкое измельчение фрагментов структуры стали. Описаны методики расчета времени нагрева и приведены необходимые справочные таблицы и графики.
Предназначено для магистрантов направления 150100 «Материаловедение и технологии материалов» при изучении ими дисциплины Д.23 «Теория и технология получения ноноструктурированных компактных материалов» и студентов очной и заочной формы обучения по направлению 150400 – «Металлургия».
Рекомендуется использовать при изучении дисциплин «Технология термического производства», «Теория термической обработки металлов», «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ. Может быть полезно инженерно-техническим работникам машиностроительных предприятий.
Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями.
ISBN 978-5-398-00564-6 © ГОУ ВПО
«Пермский государственный технический университет», 2011
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие........................................................................................ |
5 |
1. Роль и место термической обработки в общем цикле |
|
производства....................................................................................... |
7 |
Контрольные задания.................................................................... |
9 |
2. Нагрев и охлаждение при термической обработке стали .......... |
11 |
2.1. Требования к нагреву. Взаимодействие газовой |
|
атмосферы со сталью при нагреве............................................... |
11 |
2.2. Способы защиты стали от окисления |
|
и обезуглероживания при нагреве. Контролируемые |
|
атмосферы ...................................................................................... |
34 |
2.3. Охлаждение изделий при термической обработке.............. |
42 |
Контрольные вопросы................................................................... |
70 |
3. Расчет времени нагрева изделий................................................... |
72 |
3.1. Теплотехнические основы нагрева (охлаждения) стали. |
|
Определение коэффициентов теплопередачи............................. |
72 |
3.2. Основные конструкции печей сопротивления .................... |
79 |
3.3. Расчет времени нагрева и охлаждения по критериальным |
|
зависимостям ................................................................................. |
84 |
3.3.1. Формирование садки...................................................... |
88 |
3.3.2. Теплотехнически тонкие и массивные тела................. |
91 |
3.3.3. Расчет нагрева и охлаждения теплотехнически |
|
тонких тел в режиме tп = const................................................. |
94 |
3.3.4. Нагрев и охлаждение массивных тел в режиме |
|
tп = const ..................................................................................... |
99 |
3.3.5. Расчет времени прогрева при постоянной |
|
температуре поверхности (tпов = const) ................................... |
110 |
3.3.6. Расчет времени нагрева массивных тел в режиме |
|
q = const...................................................................................... |
111 |
3.3.7. Комбинированные режимы нагрева массивных тел..... |
115 |
3.3.8. Расчет времени нагрева неоднородных тел................. |
115 |
4. Нагрев стальных изделий в жидких теплоносителях................. |
129 |
4.1. Особенности нагрева в расплавах солей.............................. |
129 |
4.2. Кинетические закономерности нагрева стали |
|
в электродных соляных ваннах.................................................... |
130 |
4.3. Особенности расчета времени нагрева (охлаждения) |
|
изделий в расплавах солей............................................................ |
134 |
3
Контрольные вопросы .................................................................. |
144 |
5. Индукционный нагрев токами высокой частоты....................... |
145 |
5.1. Физические основы и особенности индукционного |
|
нагрева............................................................................................ |
147 |
5.2. Параметры индукционного нагрева..................................... |
152 |
5.3. Индукторы для поверхностной индукционной закалки..... |
156 |
5.4. Преобразователи частоты...................................................... |
166 |
5.5. Примеры обработки деталей с применением |
|
индукционного нагрева ................................................................ |
169 |
5.6. Технология поверхностной индукционной закалки........... |
173 |
5.7. Приближенные расчеты параметров индукционного |
|
нагрева при поверхностной закалке............................................ |
179 |
Контрольные вопросы .................................................................. |
188 |
6. Термоциклическая обработка металлов ..................................... |
190 |
Контрольные вопросы .................................................................. |
207 |
7. Нанотехнологии и нанокристаллические материалы................. |
209 |
Контрольные вопросы .................................................................. |
225 |
Библиографический список .............................................................. |
226 |
Приложения........................................................................................ |
230 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Термическое производство весьма разнообразно по применяемым технологическим процессам и оборудованию. Большинство из используемых в настоящее время технологий термической обработки были разработаны или коренным образом усовершенствованы на научной основе в конце XIX и в XX столетии. В настоящее время необходимы активный научно обоснованный анализ существующих технологических процессов термической обработки, совершенствование операций нагрева и охлаждения при термической обработке, разработка новых способов нагрева (лучом лазера, в тлеющем разряде, в кипящем слое и др.), разработка современного термического оборудования с высокой точностью регулирования технологических параметров. Применение при термической обработке быстрых нагревов (индукционный нагрев, нагрев в расплавах солей, использование псевдоожиженного слоя), использование контролируемых атмосфер и вакуумного нагрева позволяют повысить качество обработки, получить чистую поверхность изделия, уменьшить припуски на термическую обработку и сэкономить значительное количество металла. Применение термоциклической обработки ведет к одновременному повышению прочности и пластичности конструкционных материалов, позволяет эффективно регулировать размер зерна стали и получать фрагменты структуры на уровне наноструктуры.
Правильный выбор технологических параметров и строгое их соблюдение при термической обработке – необходимое и обязательное условие высокого качества и экономической целесообразности этой обработки.
Пособие разработано на основе литературных и справочных данных о поведении компактных металлических материалов при печных нагревах и быстрых нагревах с использованием жидких теплоносителей (нагрев в расплавах солей)
5
или переменного магнитного поля (индукционный нагрев токами высокой частоты). Применение быстрых нагревов позволяет существенно повысить качество поверхности обрабатываемых изделий и измельчить зерно сталей. При использовании циклических нагревов-охлаждений возможна фрагментация структуры металлических сплавов до наноуровня.
Пособие включает как описания кинетики превращений при разных условиях нагрева сталей (например, разд. 2. Нагрев и охлаждение при термической обработке стали; п. 4.1. Особенности нагрева в расплавах солей), так и методики расчета технологических параметров (разд. 3. Расчет времени нагрева изделий; п. 4.3. Особенности расчета времени нагрева в расплавах солей).
В разд. 5. Индукционный нагрев токами высокой частоты; 6. Термоциклическая обработка металлов; 7. Нанотехнологии и нанокристаллические материалы – показаны возможности применения термической обработки для фрагментации структуры металлических материалов до ультрадисперсного уровня (наноуровня) и, как результат, получение нового комплекса свойств на традиционных компактных материалах.
Приведенные в пособии режимы различных технологических процессов являются рекомендуемыми и могут корректироваться в зависимости от конкретных производственных условий (например, химического состава плавки, имеющегося оборудования и т.д.).
6
1.РОЛЬ И МЕСТО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ВОБЩЕМ ЦИКЛЕ ПРОИЗВОДСТВА
Термическая обработка – это совокупность нагрева, технологической выдержки и охлаждения материалов и сплавов с целью изменения в нужном направлении механических, физико-химических и технологических свойств изделий без изменения размеров и формы деталей и заготовок. По выражению академика Н.Т. Гудцова, «термическая обработка есть обработка свойств стали». Изменения свойств достигают путем изменения внутреннего строения (структуры) материала. Термическую обработку принято делить на предварительную, которая осуществляется на заготовительной стадии, и окончательную, которая формирует требуемые эксплуатационные свойства материала детали.
Использование термической обработки изменяет свойства в широких пределах. Табл. 1.1 показывает эффективность применения упрочняющей термической обработки для разных материалов.
|
|
Таблица 1.1 |
|
Предел прочности (σв) материалов |
|||
|
|
|
|
Сплав |
σв, МПа |
||
до упрочнения |
после термической |
||
|
|||
|
|
обработки |
|
Легированные конструкци- |
500–700 |
1000–2200 |
|
онные стали |
|||
|
|
||
Высокопрочный чугун |
300–400 |
600–1000 |
|
Алюминиевые сплавы |
150–240 |
300–600 |
|
Титановые сплавы |
600–800 |
1200–1400 |
|
Себестоимость термической обработки не превышает 2–4 % полной себестоимости изготовления детали, но в то же время она существенно снижает трудоемкость и себестои-
7
мость смежных операций производства, и в первую очередь себестоимость механической обработки. Термическая обработка широко применяется как в металлургическом цикле производства, так и в машиностроительном производстве.
На рис. 1.1 приведена схема применения термической обработки при разных способах изготовления деталей и полуфабрикатов.
Рис. 1.1. Применение термической обработки при различных способах изготовления деталей и заготовок: I – непосредственно из сортового проката или метизов, II – из заготовок, III – из отливок, IV – из металлических порошков
Приведем примеры технологического маршрута изготовления различных изделий.
Производство рельсов:
1.Горячая прокатка.
2.Резка на мерные длины.
3.Противофлокенная термическая обработка.
4.Правка.
5.Механическая обработка (фрезерование торцов и сверление болтовых отверстий).
8
6.Упрочняющая термическая обработка (поверхностная закалка с самоотпуском с индукционного нагрева по всей длине рельса).
7.Контроль качества обработки.
Изготовление коленчатого вала из высокопрочного чугуна:
1.Получение отливки.
2.Предварительная термическая обработка.
3.Термическая обработка, формирующая свойства отливки (нормализация с последующим высоким отпуском).
4.Механическая обработка на чистовые размеры.
5.Упрочнение шеек коленчатого вала путем поверхностной закалки ТВЧ с низким отпуском. Контроль твердости поверхности (47–52 HRC), контроль на наличие дефектов магнитно-люминесцентным методом.
6.Доводка размеров, шлифование.
7.Сборка.
Таким образом, при изготовлении деталей чередуются операции механической и термической обработки, и чем сложнее деталь, тем большее число раз повторяется это чередование.
Другие примеры маршрутной технологии приведены в литературе [1–4, 6–8, 31].
Контрольные задания
Разработать и обосновать маршрутную технологию изготовления изделий:
1.Режущий инструмент (сверло) из стали У10, У12. Твердость рабочей части не менее 62HRC, твердость хвосто-
вой части 30-40HRC.
2.Сварной инструмент. Рабочая часть – быстрорежущая сталь, хвостовая часть – сталь 40Х.
9
3.Горячий штамп из стали 5ХНМ, 5ХНВ. Для повышения теплостойкости и разгаростойкости рабочей поверхности использовать ХТО.
4.Шестерня из низкоуглеродистой конструкционной стали 18ХГТ.
5.Шестерня из низкоуглеродистой конструкционной стали 12Х2Н4А.
6.Распределительный вал из среднеуглеродистой конструкционной стали 40. Поверхности кулачков эксцентрика
иопорных шеек упрочнить на глубину 2–4 мм на твердость не менее 56HRC.
7.Муфта соединительная из стали 40. Наружную поверхность закалить ТВЧ на глубину 2–3 мм [8].
10