Нагрев и охлаждение металла

Нагревательные печи. Для термической обработки применяемые печи в термических цехах подразделяются следующим образом.

1. По технологическим признакам, универсальные для отжига, норма­лизации и высокого отпуска, специального назначения для нагрева одно­типных деталей.

2. По принимаемой температуре: низкотемпературные (до 600°С), среднетемпературные (до 1000°С ) и высокотемпературные (свыше 1000°С).

3. По характеру загрузки и выгрузки: печи с неподвижным подом, с выдвижным подом, элеваторные, колпаковые, многокамерные.

4. По источнику получения тепла: мазутные, газовые, электрические В последнее время получили распространение газовые и электрические пе­чи.

5. Печи-ванны, свинцовые, соляные и другие. Нагрев деталей в свин­цовых и соляных ваннах является равномерным и быстрым, чем в печах.

6. Нагревательные установки: для нагрева деталей ТВЧ, для электро- контактного нагрева и др.

7. По зависимости от среды, в которой нагреваются детали, различа­ются печи с воздушной атмосферой (окислительные) и с контролируемой или защитной атмосферой (безокислительные). Контролируемые атмосферы - это газовые смеси, у которых газы во время нагрева нейтрализуют друг друга и тем самым предотвращают окисление деталей.

Температура нагрева играет главенствующую роль и для каждого вида термообработки в зависимости от химического состава определяется по диаграмме состояния железо - цементит (рис. 2). Практически темпера­туры нагрева выбирают из таблиц справочников.

Время нагрева (скорость нагревания) зависит от многих факторов: химического состава стали, величины и формы изделий, взаимного распо­ложения изделия в печи и др.

Чем больше в стали углерода и легирующих элементов, а также чем сложнее конфигурация изделия, тем медленнее должно быть нагревание. При быстром нагревании из-за большого интервала температур поверхности и сердцевины в изделии возникают большие внутренние напряжения, кото­рые могут вызвать коробление детали и трещины.

Обычно изделия загружают в печь, разогретую до заданной темпера­туры. В этом случае время нагрева может быть определено по формуле проф. А.П. Гуляева:

τ_н = 0,1К₁К₂К₃D, мин, (4.1)

где D - минимальный размер максимального сечения в мм;

К₁ - коэффициент формы, имеющий следующие значения: для шара -1, для ци­линдра -2, параллелепипеда - 2,5, пластины – 4;

К₂ - коэффициент среды, который при нагреве в соли равен 1, в свинце - 0,5, в га­зовой среде - 2,

К₃ - коэффициент равномерности нагревания (табл. 1)

Рисунок 2 - Температурные зоны для различных видов термообработки

Время выдержки. При любом виде термической обработки, после достижения изделием заданной температуры, необходима выдержка, чтобы полностью произошли структурные изменения. Время выдержки зависит от размеров деталей, способа нагрева, марки стали и вида термообработки. В таблице 2 приведены данные по определению времени выдержки для углеродистых сталей.

Полное время нагрева будет определяться по формуле:

τ_О = τ_Н + τ_В (4.2)

где τ_Н - время нагрева в мин; τ_В - время выдержки в мин.

Кроме расчетного метода часто пользуются опытными данными. Так на 1 мм се­чения или толщины изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность нагрева в электропечах принимают τ_Н = 45-75 с. Продолжительность выдержки при заданной тем­пературе часто принимают τ_В = (0,15+0,25)∙τ_Н. Для инструмента из углеродистой стали (0,7-1,3% С) рекомендуется на 1 мм наименьшего сечения τ_В =50-80 с, а из легирован­ной стали τ_В =70-90 с.

Скорость охлаждения. В каждом виде термообработки конечной це­лью является получение соответствующей структуры. Это достигается ско­ростью охлаждения, которая определяется видом термообработки. В табли­це 3 приведены данные скорости охлаждения для различных видов термо­обработки.

Таблица 1 - Значения коэффициента K₃ в зависимости от расположения изделий в нагревательной печи

Расположение заготовок	Значение коэффициента К3	Расположение заготовок	Значение коэффициента К3
	1		1
	1,4		1
	4		2
H	2	2d	1,3

Таблица 2 - Время выдержки при термообработке

№ п/п	Вид термообработки	Время выдержки
1	Полный отжиг	0,5-1 ч на 1т садки
2	Неполный отжиг	То же
3	Отжиг изотермический	Определяется по диаграмме изотермического распада аустенита
4	Отжиг на зернистый цементит (сфероидирующий)	0,5-1 на 1 т садки
5	Отжиг диффузионный	То же
6	Отжиг рекристаллизационный	До 1 часа
7	Нормализация	1,5-2 мин на 1 мм диаметра или наименьшего сечения заготовки (детали)
8	Закалка	То же
9	Отпуск	От 1 до 2 ч для деталей небольшого сечения

Таблица 3 - Скорости охлаждения при различных видах термообработки для углеродистых сталей

№ п/п	Вид термообработки	Скорость охлаждения	Охлаждение
1	Полный отжиг	150-200°С/ч	Терморегулятором печи
2	Неполный отжиг	То же	То же
3	Отжиг диффузионный	30-50°С/ч	Охлаждение вместе с печью до 800°С, затем охлаждение на воздухе
4 Продолжение таблицы 3	Отжиг изотермический	30-50°С/ч до 650°С, выдержка при этой температуре 1-3 часа с последующим охлаждением на воздухе	Вместе с печью
5	Отжиг на зернистый цементит	30-50°С/ч до 500-600°С, дальше на воздухе	То же
6	Отжиг рекристаллизационный	25-30°С/ч	Терморегулятором печи
7	Нормализация	-	Охлаждение на воздухе
8	Закалка	Для мартенситной структуры 150°С/с	Охлаждение в воде
9	Отпуск	Медленное 30-50°С/ч. Ускоренное для легированных сталей	На воздухе. В воде или масле