Тепловая обработка

Многие технологические операции обработки проводят при нагревании деталей и изделий.

В нагретом состоянии проводится:

а) изготовление деталей из металлов давлением;

б) формоизменение пластических масс;

в) термическая обработка металлов с целью получения лучшей кристаллической структуры;

г) обжиг керамических изделий;

д) газовая и электродуговая резка металлов;

е) сварка, пайка и склеивание;

ж) некоторые работы при механической сборке (запрессовка, клепка и т. п. ).

Нагревание при обработке деталей давлением. Необходимость нагрева материала при обработке давлением (выдавливании, штамповке, гибке, отбортовке и др. ) основывается на возникновении при нагревании пластической деформации, значительно снижающей усилия, необходимые для формоизменения.

Горячей обработке давлением могут подвергаться почти всё металлы и большинство пластмасс, важно только правильно выдерживать температурный режим. Хорошо гнется и штампуется в горячем состоянии двуслойная сталь, хотя во избежание расслоения не следует нагревать заготовки более двух раз.

Нагревание металлических листовых заготовок перед обработкой чаще всего производят в печах. При горячей гибке трубного или пруткового проката применяют нагрев т. в. ч. или включением детали в электрическую цепь в качестве сопротивления. Отдельные участки заготовок нагревают горелками.

Нагрев пластических масс производят в пламени горелки или передачей тепла через металл, воздух, песок или жидкость. Равномерность нагрева по всей толщине пластмассового листа достигается при погружении его в жидкостную ванну. В качестве нагревающей жидкости применяют трансформаторное масло или глицерин. Лучше применять глицерин, так как его легче удалить с поверхности материала (смыть водой).

Нагревание можно производить также в шкафах с паровыми змеевиками или с подачей потока горячего воздуха.

Существуют способы формообразования, при которых пластмассовые заготовки нагревают в специальных камерах, обогреваемых инфракрасными лампами, радиационными лампами или т. в. ч.

Рекомендуемые температурные режимы для обработки давлением некоторых материалов приведены в табл. 29.

Термическая обработка металлов. Термическая обработка — последовательное нагревание и охлаждение заготовок деталей или аппаратов с целью улучшения их механических, эксплуатационных и технологических свойств, вследствие фазовых и структурных превращений, и уменьшения внутренних напряжений металла.

К термической обработке относятся процессы отжига, нормализации, закалки, отпуска и обработки холодом. При изготовлении аппаратов преимущественно приходится иметь дело с отжигом. Отжиг заключается в нагревании металла до температуры, обеспечивающей получение равновесных (устойчивых) структур, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении.

После отжига понижается твердость металлов, повышается их вязкость, а также уничтожаются внутренние напряжения, вызванные предшествующей обработкой. Степень уменьшения напряжений зависит от времени выдержки и температуры. Время выдержки прямо пропорционально толщине отжигаемого материала.

При назначении температуры отжига следует иметь в виду, что любое поверхностное упрочнение металлов снимается при темпера­турах выше порога рекристаллизации.

Абсолютная минимальная температура рекристаллизации (порог рекристаллизации) может быть ориентировочно определена по урав­нению

Т_рекр0,4Т_пл

где Т_пл — температура плавления металла;

Τ_рекр — температура рекристаллизации

Рекомендуемые температуры отжига и температуры, соответст­вующие рекристаллизации, приведены в табл. 29.

Отжиг металлов, как правило, производят в печах.

В зависимости от свойств металлов существуют различные техно­логические приемы отжига.

Стальные изделия нагревают в электрических или газовых печах, выдерживают несколько часов при температуре отжига, а затем медленно охлаждают вместе с печью или в горячем песке.

Во многих случаях с целью предохранения металлов от окисления в рабочее пространство печей вводят защитную газовую среду. При обработке сталей для защиты могут быть использованы: а) смесь азот—водород—пары воды; б) генераторный газ; в) смеси, образуе­мые при частичном сжигании светильного, коксового или природ­ного газа; г) крекинг-газ и пирогаз.

Медь подвергают светлому отжигу в атмосфере азота, водорода, углекислого газа, паров воды или смеси углекислого газа и окиси углерода.

Таблица 29

Рекомендуемые температурные режимы обработки

Материал	Температура обработки в °С
	Отжиг	Обработка давлением	Порог ре­кристалли­зации
Техническая медь.... Латунь Л90 Латунь Л68 Латунь Л62 Латунь ЛМц 58-2.... Латунь ЛС 59-1 Латунь ЛЖМц 59-1-1... Алюминиевые бронзы (Бр. А7) Бериллиевая бронза.... Кремнистые бронзы (Бр. КМц 3-1) Оловянные бронзы (Бр. ОФ 4-0, 25) Технический никель.... Монель Мельхиор (МН19).... Нейзильбер Алюминий Алюминиевые сплавы типа АМц Технический цинк.... Технический титан.... Винипласт Углеродистая сталь... Нержавеющая сталь... Двуслойная сталь....	500—700 650—720 (200) 520—650 (260—270) 600—700 (300) 600—650 600—650 (285) 600—650 650—750 - (275) 600—680 600—650 700—800 800—850 600—780 700—750 (250) 370—400 350—410 50—100 - 650—850 1150—1170 1000—1100	800—950 850—950 750—830 650—850 680—730 640—780 680—730 830—880 780—800 800—850 750—780 1140—1250 975—1150 980—1030 800 350—450 150—170 900—1000 100—150 900—1100 900—1200	180—230 335—370 300—370 350—370 360 250 350—370 600 420 150 20 500—600 850—880
Примечание. В скобках указан низкотемпературный отжиг.

Латунь, сильно подверженная коррозионному растрескиванию, значительно улучшает свои свойства при низкотемпературном отжиге (270—300° С).

Для получения светлой неокисленной поверхности никелевых сплавов применяют отжиг в среде чистого водорода. Светлый отжиг мельхиора и технического никеля можно проводить также в атмо­сфере генераторного газа, полученного при сжигании древесного угля. Термическую обработку изделий из титана проводят при нагре­вании в разреженной атмосфере с предварительным покрытием поверхности порошком кремния. Наивысшей пластичности титан достигает при отжиге в атмосфере чистого аргона или в вакууме.

Устранение внутренних напряжений, возникающих при гибке и штамповке на границе двух слоев в биметаллах, производят путем отжига в течение трех часов при температуре, превышающей на 50—100° С температуру обработки с последующим охлаждением в воде.

Отжиг широко применяют при снятии внутренних напряжений, возникающих при сварке металлов.

Обжиг керамических изделий. Обжиг керамических изделий производят в печах периодического или непрерывного действия. Для деталей химических аппаратов, изготовляемых обычно спосо­бами единичного производства, целесообразно применять печи перио­дического действия, позволяющие проводить любой режим нагрева­ния и охлаждения. Тоннельные печи непрерывного действия приме­няют для однородной массовой продукции.

Обжиг в печах периодического действия продолжается 5— б суток. Примерно такое же время затрачивается на процесс охлаждения.

В табл. 30 в качестве примера приведены режимы термической обработки изделий из кислотостойкого дунита по данным Славян­ского завода керамических изделий.

Таблица 30

Режимы термической обработки кислотостойкого дунита

Наименование процесса	Температурный интервал в °С	Средняя скорость нагревания или охлаждения °С в час	Длительность процесса в час
Нагревание » » » » Выдержка Охлаждение » »	20—180 180—560 560—660 660—1200 1200—1320 1320 1320—900 900—150 150—40	10 25 10 30 10 - 52, 5 13, 5 16	16 15 10 18 12 3 8 55 7

Способы нагрева. В зависимости от требований технологического процесса возникает необходимость нагревания отдельных участков или изделий в целом.

Местный обогрев осуществляют при проведении гибки, при отжиге сварных швов, при подогреве зоны соединений деталей перед свар­кой или пайкой.

Общий нагрев необходим при горячей штамповке, отжиге метал­лов, обжиге керамических изделий и, в отдельных случаях, при пайке и склеивании.

Общий нагрев всегда лучше местного, так как при нем достигается более равно­мерное распределение темпе­ратур по всему изделию.

Местный нагрев проводят с помощью сварочных газо­вых или керосино-кислородных горелок; электрическим током, включая изделия в электрическую цепь в каче­стве сопротивления; с по мощью т. в. ч.

Фиг. 93. Форсунка для сжигания жидкого топлива.

Общий нагрев деталей осуществляют в нефтяных, газовых и электрических печах или в жидкостных ваннах. В нефтяных печах тепло образуется при сжигании нефтяного топлива в форсунках. Форсунка (фиг. 93) состоит из корпуса 1, в кото­рый по трубе малого диаметра 2 подается топливо. Труба большого диаметра 3 служит для подачи в корпус сжатого воздуха, с помощью которого происходит распыление и сжигание топлива. Подача топлива регулируется вентилем 5, а воздуха — задвижкой 4. Форсунки, применяемые в термических печах, имеют давление жидкого топлива 1, 0—1, 5 кг/см² и давление воздуха 600—1000 мм вод. ст.

Г азообразное топливо сжигают в специальных го­релках. Существуют различ­ные конструкции горелок:

а ) горелки поверхностного беспламенного горения, работающие на смеси воздуха с горючим газом (фиг. 94); б) инжекционные горелки (фиг. 95); в) диффузионные горелки, в которых смешение газа и воздуха происходит полностью в рабочем про­странстве печей.

Применение той или иной горелки зависит от необходимой температуры нагревания, состава и коли­чества сжигаемого газа.

В последнее время полу­чает распространение обо­грев рабочего пространства печи излучающими тру­бами. В излучающих тру­бах (фиг. 96) камерой сго­рания газа является сама труба, а тепло в рабочее

Фиг. 96. Излучающая труба:

1—эжектор; 2 — горелка; 3 — нагревательная труба.

пространство печи передается через стенку трубы. В таких трубах с одного конца установлена горелка, с другого —эжектор. Эжектор создает внутри трубы разряжение и подсасывает воздух. Для луч­шего смешения газовой смеси с воздухом на поверхности труб выдав­ливают небольшие впадины. Эти впадины создают вихревые центры, которые ускоряют сгорание топлива. Продукты горения отводятся в вытяжные газоходы.

В печах излучающие трубы устанавливают либо в горизонтальной, либо в вертикальной плоскостях. Горизонтальное расположение трубы дает более равномерный нагрев. Расход газа в одной трубе 5—6 м³/час.

Во многих печах для нагревания используют электрические нагреватели, источником тепла которых являются проводники или полупроводники с высоким электросопротивлением. В качестве проводников чаще всего используют сплавы никеля и хрома и хромоалюминиевые сплавы. Для получения рабочих температур выше 1100° С изготовляют неметаллические полупроводниковые нагре­ватели из карбида кремния.

Фиг. 97. Металлический электронагреватель закрытого типа:

/ — выводная шпилька; 2 — жаростойкая эмаль; 3 — металли­ческая трубка; 4 — кварцевый песок; 5 — спираль нагревателя.

Проводниковые нагреватели могут быть открытого или закрытого типа. Открытые нагреватели представляют собой проволоку или ленту, подвешиваемую в рабочем пространстве печей вблизи стенок или между нагреваемыми изделиями.

Металлические электронагреватели закрытого типа (трубчатые электронагреватели) состоят из спирали, заключенной в металли­ческую трубку с плотно запрессованным кварцевым песком (фиг. 97). Концы спирали приваривают к выводным шпилькам, а торцы трубки заливают жаростойкой эмалью. В некоторых типах трубчатых элек­тронагревателей спираль от трубки изолируют керамическими кольцами или стержнями.

Полупроводниковые (карборундовые) нагреватели изготовляют в виде литых стержней диаметром от 4 до 50 мм и длиной до 1500 мм. Концы стержней в местах соединения их с токопроводящим проводом изготовляют утолщенными или из массы, имеющей меньшее электро­сопротивление. В некоторых случаях осуществляется специальное водяное охлаждение клемм.

Конструкции печей. Для тепловой обработки деталей аппаратов используют преимущественно различные типы камерных печей. Нагревание мелких деталей производят в очковых камерных печах или в печах-плитах за счет тепла отходящих газов. Для отжига проволоки и трубок используют газовые или электрические колпачковые печи, изготовляемые в виде цилиндрической или прямоугольной коробки со съемной верхней крышкой. В таких печах бухты проволоки или трубок укладывают на конические подставки стопами высотой до 2—2, 5 м. Для более равномерного обогрева воздух внутри печей перемещается с помощью вентилятора.

Для нагревания и отжига крупных деталей, а также готовых аппаратов используют камерные печи, имеющие выдвижной под, представляющий собой футерованную выдвижную тележку на коле­сах, передвигающуюся по рельсам при помощи троса, связанного с электродвигателем. Форсунки или горелки в таких печах распола­гают выше уровня пода, вследствие чего изделия нагреваются бла­годаря лучеиспусканию стенок и свода печи, а также за счет конвек­ции газов.

Для обжига эмалируемых аппаратов применяют печи с вращаю­щимся подом.

Существуют конструкции печей, в которых можно производить общую термообработку аппаратов длиной до 25 м и диаметром до 4 м. Для равномерности нагревания в крупных печах преду­смотрены принудительная циркуляция газовой среды и автомати­ческое централизованное и секционное регулирование режима процесса.

Для предохранения аппаратов от деформаций, которые могут возникнуть во время нагревания под действием собственного веса, внутри сосудов или аппаратов рекомендуется устанавливать дом­краты и распорные кольца.

Шахтные, тоннельные, муфельные и конвейерные печи в аппаратостроении применяют редко.

Для нагревания пластических масс, а в некоторых случаях и для термической обработки применяют печи-ванны. Нагревание изделий в таких печах осуществляют в различных жидких средах, в качестве которых используют расплавленные металлы (свинец и его сплавы, силумин), расплавленные соли, щелочи и масла.

Нагрев в жидких средах по сравнению с нагревом в камерных печах обеспечивает более равномерный и быстрый прогрев изделий на всю глубину и отсутствие окисления.

Основным элементом печей-ванн являются тигли. Тигли изго­товляют штампованными или литыми из жаропрочных сталей. Существуют печи-ванны, обогреваемые мазутом, газом или электро­нагревателями. Наибольшее распространение получили газовые и электрические печи. Многие конструкции имеют мешалки или насосы для перемешивания жидкой среды, а также автоматические системы для солеочистки.

В техническую характеристику печей входят: объем рабочего пространства, максимальная температура нагрева, длительность цикла нагревания и охлаждения, условия контроля атмосферы рабочего пространства.