Поверхностная закалка стали

Окисление и обезуглероживание.

Пережог.

Пережог получается в том случае, если сталь нагрета до температуры начала плавления. Пережог характеризуется оплавлением и в связи с этим окислением металла по границам зерна; поэтому сталь становится очень хрупкой. Пережог является неисправимым браком.

Окисление и обезуглероживание стали при нагреве-это результат взаимодействия ее с газами, содержащимися в атмосфере печей (кислорода, водорода, углекислого газа). Окисление характеризуется образованием на поверхности детали окалины, а обезуглероживание – выгорание углерода в поверхности детали с образованием структуры феррита.

Окалина, кроме невозвратной потери металла, приводит к неравномерной твердости деталей (пятнистой закалке) и вызывает необходимость дополнительной обработки, удорожающей стоимость деталей.

В результате обезуглероживание резко снижается твердость на поверхности деталей и выносливость.

Лучшим способом предохранения от окисления и обезуглероживания является нагрев в специальных печах с защитой (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.

Закалочные трещины. Закалочные трещины обычно образуются при слишком резком охлаждении или нагреве деталей. Способами предотвращения закалочных трещин являются: равномерный нагрев и равномерное охлаждение детали; применение закалки, при которой обеспечивается медленное охлаждение в интервале мартенситного превращения – ступенчатая и изотермическая закалка, закалка в двух средах.

Коробление. Коробление получается вследствие неравномерного охлаждения отдельных мест детали; при короблении изменяется внешняя форма детали. На коробление значительно влияет форма детали и способ погружения детали в охлаждающую среду. Для предотвращения коробления необходимо: правильно выбирать режим закалки – температуру нагрева, скорость и способ охлаждения; применять закалку в закалочных машинах и штампах.

Пятнистая закалка. К пятнистой закалке приводит неравномерное охлаждение поверхности детали во время закалки, наличие на поверхности детали окалины и загрязнений, соприкосновение деталей друг с другом в процессе охлаждения. При пятнистой закалке твердость детали получается неравномерной. Чтобы избежать пятнистой закалки необходимы: защита поверхности деталей от образования окалины в процессе нагрева, очистка деталей перед закалкой, выбор правильного способа охлаждения.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше Ас₃ для доэвтектоидной и Ас₁ для заэвтектоидной стали и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Поверхностную закалку применяют обычно для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам, в связи с высокой пластичностью сердцевины, и роста усталостной прочности. Поверхностная закалка происходит очень быстро и поэтому на поверхности детали не образуется окалины. Так как при этом нагревается и охлаждается поверхностный слой стали, коробление детали незначительное.

Практически наиболее часто поверхностную закалку применяют при нагреве токами высокой частоты и реже закалку при нагреве пламенем газовой горелки.

Поверхностная закалка при нагреве токами высокой частоты. Нагрев токами высокой частоты (т.в.ч.), предложенный и разработанный проф. В.П.Вологдиным, является наиболее производительным и прогрессивным способом. При нагреве т.в.ч. можно закаливать детали разнообразных конфигураций, полностью автоматизировать процесс закалки.

Сущность нагрева т.в.ч. заключается в следующем. Если в переменное электромагнитное поле поместить замкнутый проводник электрического тока, то в проводнике возникают переменные, так называемые вихревые токи. Характерным является распределение тока по сечению проводника. Если постоянный ток распределяется при прохождении по проводнику равномерно по всему сечению, то распределение переменного тока по сечению проводника неравномерно. Плотность протекающего переменного тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника. Такое неравномерное распределение переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Вследствие поверхностного эффекта проводник нагревается на определенную глубину от поверхности.

Нагрев т.в.ч. принципиально отличается от других способов нагрева – тепло возникает в самой детали, а при нагреве в печах, соляных ваннах и газовым пламенем тепло распространяется от поверхности к сердцевине путем теплопроводности.

В связи с большой скоростью нагрева (в течение нескольких секунд) для завершения всех превращений в стали необходима температура, значительно (на 100-200°С) превышающая нормальную температуру закалки при нагреве в печах. Но в связи с отсутствием выдержки при температуре закалки такая высокая температура не вызывает роста зерна стали.

По сравнению с обычной закалкой сталь, закаленная при нагреве т.в.ч., имеет следующие преимущества: более высокая твердость, более мелкая микроструктура, более высокая износостойкость, более высокая прочность при относительно меньшем понижении вязкости, более высокий предел выносливости.

Поверхностную закалку нагревом т.в.ч. проводят различными способами – в зависимости от размера и формы детали и предъявляемых к ней требований.

При закалке небольших деталей применяют одновременный нагрев и охлаждение всей обрабатываемой поверхности. Наибольшее применение имеет душевое охлаждение. Для этого на внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые, после окончания нагрева, на поверхность детали поступает вода.

Закалку деталей значительной длины проводят непрерывно – последовательным способом. Непрерывно – последовательно нагревается и охлаждается вся поверхность детали.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то целесообразно применять способ последовательной закалки, при котором обрабатываемая поверхность нагревается и охлаждается по частям.

После закалки для уменьшения возникающих внутренних напряжений детали подвергают низкому отпуску (160 - 200°С).

Для точной установки детали в индукторе и обеспечения определенного одинакового нагрева и охлаждения каждой нагреваемой детали, от чего зависит качество закалки, применяют специальные приспособления, установки, станки-полуавтоматы и автоматы различных конструкций.

Поверхностная закалка при нагреве пламенем. При этом способе закалки нагрев поверхности детали осуществляют пламенем. Наиболее часто используют ацетилено - кислородное пламя, температура которого 3150°С.

Основные способы закалки при нагреве пламенем: стационарный, вращательный, поступательный, комбинированный.

Стационарный и вращательный способы относятся к закалке состоящей из двух операций: сначала одновременно нагревается вся закаливаемая поверхность, а затем проводится охлаждение всей нагретой поверхности. Поступательный и комбинированный способы относят к непрерывной закалке, при которой закаливаемая поверхность подвергается закалке непрерывным перемещением через зону нагрева и охлаждения.

Для нагрева пламенем применяют обычные сварочные горелки, в которых вместо мундштука используют специальные наконечники - щелевые имногопламенные. Толщина закаленного слоя обычно составляет 2-5 мм, а его твердость такая же, как при обычном закаливании. Этот способ применяют главным образом при закалке крупных деталей.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Исходные материалы

Железо в чистом виде редко находят в поверхностных слоях земной коры. Благодаря большой склонности к окислению в земной коре встречаются обычно окислы железа в смеси с окисленными соеди­нениями других элементов. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологи академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов считают, что в земной коре (до глубины 16 км) содержатся примерно 5% железа в виде окислов, карбонатов, сульфидов и других соедине­ний. В отдельных местах земной коры имеются значительно боль­шие скопления соединений железа. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно пере­рабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпа­товый железняки. Эти руды содержат значительное количество руд­ного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отде­ляющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают бога­тые и бедные руды. Железные руды принято называть бога­тыми, если они содержат более половины железа.

Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в метал­лургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения (см. ниже), или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит.

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит, магнетит и сидерит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe₂O₃ — безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железня­ках составляет 45—65% при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа Fe₂O₃-mH₂O с переменным количеством гидратной влаги. Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержа­щий 57,14% Fe₂O₃ и 25,3% Н₂О и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25—50 % Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fe₃O₄ (закись-окись железа), обладающей хорошо вы­раженными магнитными свойствами. Магнетиты содержат железа от 40 до 70% и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как явля­ются плотными горными породами.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO₃. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магне­зит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие материалы. К ним в первую очередь следует отнести мар­ганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в до­менную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца для получения чугуна необхо­димого качества.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пус­той породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным пу­тем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют извест­няк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа (см. ниже). Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82—88% твер­дого углерода, от 5 до 10% золы, однако всегда содержит и серу от 0,5 до 2,0%.

Дата добавления: 2014-01-04