6. Предварительная и окончательная то.

По степени завершенности термической обработки в общезаводском цикле изготовления деталей термические операции разделяются на предварительные, промежуточные и окончательные. Как правило, свойства готовых изделий определяются окончательной термообработкой. Окончательная ТО может осуществляться за один цикл (один заход в термоотделение) или за несколько циклов.

Предварительную и промежуточную разновидности ТО, как не имеющие принципиального различия, обычно называют предварительной термообработкой.

Нередко предварительную термообработку используют для подготовки структуры металла с целью более эффективного выполнения окончательной термической обработки и интенсификации окончательной химико-термической обработки.

Иногда разделение некоторых термических операций на предварительную и окончательную условно. Например, при наличии связи металлургического производства с машиностроительным, окончательная ТО на металлургическом заводе будет лишь предварительной для машиностроительного производства. Даже в рамках одного машиностроительного завода окончательная ТО в кузнечном цеху, является лишь предварительной для механических.

Чтобы исключить путаницу, термин "окончательная термообработка'' следует употреблять только рассматривая общезаводской цикл изготовления деталей.

На практике встречается и группа смешанных термических операций, когда для одних частей детали ТО является окончательной, а для других - предварительной. Например, термоулучшение является окончательной термической обработкой для сердцевины шестерен, а для зубцов – предварительная.

Технологические процессы термической или химико-термической обработки деталей должны обеспечивать заданное изменение свойств материала и по возможности, сохранение неизменными первоначальной геометрической формы, размеров и состояния поверхности.

При нарушении технологии термической или химико-термической обработки возможно появление следующих дефектов: недогрев, перегрев, пережог обезуглероживание поверхности, закалочные трещины. Структурные изменения происходящие при ТО могут привести к изменению объема и короблению детали.

В результате этих дефектов появляется брак, который может быть исправлен и не исправлен. Поэтому иногда предусматривают возможность появления брака и принимают соответствующие меры. Например, это механическая обработка после ТО или специальные припуски на размеры, которые потом уточняются.

7. Охлаждающие среды, изменяющие свое агрегатное состояние в процессе охлаждения.

В этих средах в связи с их кипением интенсивность охлаждения изменяется с понижением температуры поверхности изделий. Процесс охлаждения характеризуется наличием трех стадий. В начальный период охлаждения охлаждаемая жидкость в контакте с горячим металлом интенсивно кипит, причем интенсивность образования пузырьков пара или газа превышает интенсивность их удаления от поверхности охлаждаемого изделия. Это приводит за очень короткое время к образованию паровой (газовой) пленки, окружающей охлаждаемое изделие и затрудняющей отвод тепла от его поверхности. Пока существует пленка (стадия пленочного кипения - I), скорость охлаждения изделий невелика. По мере понижения температуры поверхности интенсивность парообразования уменьшается, и в определенный момент скорость удаления пузырьков превышает скорость их образования, пленка разрушается, интенсивность теплоотвода и соответственно скорость охлаждения изделий возрастают. Это стадия пузырчатого кипения – II. При достижении поверхностью охлаждаемых изделий температуры кипения охлаждающей жидкости, кипение прекращается, и дальнейший теплоотвод осуществляется конвекцией (стадия конвективного теплообмена) - III. Скорость охлаждения резко снижается. Таким образом, осуществляется охлаждение в воде, водных растворах, в масле.

Охлаждение в воде. Этот способ наиболее прост, и в связи с этим его широко используют для закалки изделий из углеродистых и низколегированных сталей, особенно в условиях мелкосерийного и единичного производства.

В спокойной воде в интервале температур 800...400 °С из-за паровой пленки скорость охлаждения невелика. При температурах 380...400 °С паровая пленка разрушается и скорость охлаждения резко возрастает, при температуре ниже 100  С скорость охлаждения снова уменьшается.

Подогрев воды свыше 30...40 °С значительно снижает скорость охлаждения, особенно в верхнем интервале температур. Скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения большая, поэтому возможно образование трещин. Поэтому, подогрев воды уменьшает скорость охлаждения, но трещины могут возникнуть. Охлаждающая способность воды повышается при добавлении в нее растворов солей и щелочей, благодаря им устойчивость паровой рубашки снижается и переход к стадии пузырчатого кипения происходит раньше. Обычно добавляют 5... 15 % поваренной соли или щелочи NaOH. Нерастворимые в воде вещества, образующие эмульсии или суспензии (мыло, масла, нефтепродукты и др.), понижают охлаждающую способность воды. Иногда используют щелочные растворы повышенной концентрации (40...50 % NaOH), в основном для закалки изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию. Такие растворы очень быстро охлаждают в верхнем интервале температур и медленно - в нижнем. Но из-за поглощения СО₂ из воздуха они через 20...30 часов теряют свою охлаждающую способность. Остатки щелочей могут вызвать коррозию деталей, поэтому их промывают в горячей воде. Эффективное охлаждение в воде производится при ее циркуляции. Даже при скорости движения воды относительно изделия порядка 0,25 м/с, что соответствует обычному перемещению изделий в воде, повышает скорость охлаждения материала в 1,5...2 раза. Ускоряется охлаждение при душевом способе подачи воды, т.к. пленка интенсивно разрушается. Интенсивность охлаждения может изменяться за счет количества и скорости давления воды из спрейера, размера и частоты отверстий в спрейере, угла падения струй на охлаждаемую поверхность.

Охлаждение в масле. Является основным методом охлаждения при закалке изделий из легированных сталей. Процесс охлаждения в масле характеризуется теми же стадиями, что и в воде, только вместо паровой рубашки образуется газовая пленка. Температура переходов в этих стадиях для воды и масла различна. При охлаждении в масле переход от пленочного к пузырчатому кипению происходит при температуре 400...500 °С в следствии большей вязкости масла. Оно охлаждает медленнее чем вода во всем диапазоне. Температура кипения больше у масла, чем у воды, поэтому конвективный теплообмен начинается с более высоких температур и мартенситное превращение в большинстве сталей идет при медленном охлаждении, что уменьшает внутренние напряжения. При этом трещины не образуются. Охлаждающая способность масел мало зависит от температуры и сохраняется до 120...150  С. Очень холодное масло (с температурой меньше 20 °С) вследствие высокой вязкости охлаждает хуже. В процессе работы масло окисляется, густеет и теряет свою охлаждающую способность. При увеличении вязкости больше, чем на 40 %, масло следует заменить. Долговечность индустриальных масел при работе без защитной атмосферы составляет 400...1000 часов в зависимости от массы закаленных изделий. Недостатком масел является их медленное охлаждение в верхнем интервале температур (700...500 °С), т.е. в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения в масле недостаточна для закалки изделий из углеродистых и низколегированных сталей с малой устойчивостью переохлажденного аустенита, за исключением очень тонких 5...8 мм изделий. К недостаткам масел также относятся пожароопасность и необходимости дополнительной очистки и обезжиривания поверхности деталей, а также ухудшение условий труда при работе с маслами.

Охлаждение в водовоздушных смесях. Для подачи смесей на охлаждаемую поверхность используют форсунки высокого и низкого давления. Эти смеси по своей охлаждающей способности близко к маслу, но более удобнее, например, для закалки изделий из легированных сталей при индукционном нагреве. Регулировать охлаждающую способность смеси можно путем контролируемого изменения содержания воды, скорости истечения воды и воздуха, угла падения струй и расстояния сопла до поверхности изделия. Недостатки: неравномерность подачи смеси каждой форсунки, нестабильность охлаждения из-з изменения давления воздуха в системах, засорения форсунок и т.п.

Охлаждение в водных растворах полимеров и низкомолекулярных органических соединений. Необходима высокой скорость охлаждения в интервале температур перлитного превращения 700...500  С и низкой - в интервале температур мартенситного превращения 300... 100 °С. Вода охлаждает слишком быстро в нижнем интервале температур, что вызывает трещины и коробление изделия, а масло охлаждает недостаточно быстро в верхнем интервале, что делает невозможным закалки углеродистых и низколегированных сталей. В настоящее время созданы и применяются в промышленности ряд новых негорючих и нетоксичных закалочных сред, сочетающих положительные свойства воды и масла. Они представляет собой водные растворы различных веществ. Одно из направлений - добавка в воду низкомолекулярных органических соединений, позволяющих снизить ее охлаждающую способность. К ним относятся различные мыла, триэтаноламин, поверхностно-активные вещества, органические кислоты, многоатомные спирты и т.д.; эти среды не универсальны, а предназначены для узкого диапазона применения. Наиболее широко применяются закалочные среды, представляющие собой водные растворы органических полимеров: ЗСП-1,2,3; ТОСОЛ-К (Россия); Аквапласт (Германия); Юкон (США) и др. К их достоинствам относятся: возможность регулирования охлаждающей способности (между водой и маслом) путем изменения концентрации и температуры, безвредность, стабильность свойств в течение длительного времени, охлаждающие среды не горят и не образуют дыма. Они дешевле, непожароопасны, не требуется промывка деталей. Применяются также водные растворы неорганических полимеров типа силикат натрия (жидкое стекло). При этом уменьшается коробление изделий по сравнению с закалкой в воде, но ухудшается равномерность закалки. Вследствие поглощения углекислоты охлаждающая способность таких растворов быстро уменьшается. Механизм охлаждения в растворах полимеров основан на их влиянии, на вязкость воды, а также на понижении или повышении растворимости полимеров при изменении температуры среды в контакте с охлаждаемым металлом. Различают две группы полимерных закалочных сред. В средах первой группы растворимость полимера уменьшается с повышением температуры. При контакте с горячим металлом полимер выпадает из раствора, образуя вокруг детали слой, замедляющий охлаждение. При дальнейшем охлаждении металла этот слой вновь растворяется ("Аквапласт"). Ко второй группе относятся закалочные среды, в которых на поверхности охлаждаемого металла образуется пленка, которая стабилизирует паровую рубашку и в конце охлаждения оседает на поверхность детали, замедляя охлаждение в нижнем интервале температур (ЗСП-1). Полимерные добавки позволяют изменять охлаждающую способность воды в широком диапазоне. Если добавок мало охлаждающая способность близка к воде, а если много – к маслу. Наиболее эффективно применение таких сред при закалке деталей из углеродистых и низколегированных сталей, для которых охлаждение в воде опасно ввиду образования трещин. Недостатки: по сравнению с маслом является зависимость их охлаждающей способности от температуры среды, при повышении температуры выше 45...50 °С скорость охлаждения в верхнем диапазоне существенно уменьшается.