Технология ТО / Роль термической обработки

Роль термической обработки в повышении качества изделий и снижении металлоемкости машин

Качество и эксплуатационная надежность промышленных изделий – машин, механизмов и приборов – находится в непосредственной зависимости от соответствующих свойств их элементов – деталей, соединений и узлов. Конструкционные свойства последних связаны, в свою очередь, со свойствами материала. Статическая и динамическая прочность, сопротивление хрупкому разрушению, износостойкость, сопротивление усталостному разрушению, физические, коррозионные, жаропрочные и прочие свойства материала принадлежат к числу основных факторов, определяющих надежность и долговечность машин.

Для современного машиностроения и других отраслей металлообрабатывающей промышленности, металлургии, приборостроения характерны высокие требования к свойствам материалов, обусловленные возрастающей интенсивностью нагружения машин при одновременной тенденции к уменьшению массы. Во многих случаях характеристики массы приобретают решающее значение.

Конструкторы машин при необходимости увеличения прочности и долговечности, прежде всего, увеличивают геометрические размеры с применением высоколегированных сталей, не используя технологические возможности.

Например: 1. Конструктивные факторы могут увеличить нагрузочную способность редуктора в 1,5-2 раза, а в то же время установлено, что момент, передаваемый цементованной и закаленной зубчатой парой, в 4-5 раз больше момента, передаваемого улучшенной парой тех же размеров;

2. В угольных комбайнах последних марок мощность двигателей и рабочая скорость увеличились примерно в 1,5 раза, но достигнуто это за счет увеличения модуля зубчатых колес с 10 до 16 мм при использовании высоконикелевых сталей, а срок службы остался небольшим – 6-12 месяцев;

3. Из-за недостаточной долговечности выпускаемых деталей простои автомобилей составляют примерно до 40%; почти 40% металлопроката, потребляемого автомобильной промышленностью, расходуется на ремонт автомашин и при этом на каждом третьем металлорежущем станке проводятся ремонтные работы, в которых занят каждый четвертый рабочий-станочник.

Изменить такое положение можно только за счет термической обработки, в результате которой изменяется структура металла, а значит и свойства. В настоящее время термическая обработка – обязательное звено производственного процесса изготовления современных машин, механизмов, приборов и инструментов. При незначительных затратах на термическую обработку (обычно не превышающих 2-10% полной себестоимости) результаты ее могут оказывать большое влияние на коренное улучшение качества металла и конкретных изделий.

1.1 Перспективы развития металлических материалов

Основным конструкционным материалом в ближайшие десятилетия останутся металлы и сплавы. Выпуск металлов и сплавов в странах с высоким техническим уровнем производства значительно возрастает; при этом особенно увеличится выплавка стали, подвергаемой термической обработке. При этом, если общее производство стали увеличится примерно в 3 раза, то выплавка термически обрабатываемой стали возрастет более чем в 9 раз. Предусмотрено в 2-3 раза увеличить производство стального литья; при этом преимущественно будет повышаться (от 60 до 80%) доля производства литья из высоколегированной стали, подвергаемой термической обработке. За 30 лет производство чугунного литья увеличилось в 4-6 раз. В основном возросло производство высококачественного чугунного литья (модифицированного, легированного и ковкого).

В ближайшие десятилетия большое внимание будет уделяться выплавке сталей с узкими пределами содержания углерода, ограниченным содержанием примесей, а, следовательно, и неметаллических включений (прецизионные сплавы), а также сталей с регламентированной величиной зерна аустенита, прокаливаемостью и текстурой. Широкое распространение получит производство сталей высокой чистоты, выплавляемых в вакууме, и после различных переплавов (электрошлаковый, вакуумно-дуговой и др.). Применение сталей такого типа повысит надежность и долговечность машин.

Состав цементуемых сталей будет подвергаться корректировке: в них увеличиться содержание углерода, уменьшиться содержание марганца, хром, никеля, они будут дополнительно легированы молибденом и алюминием. Для изготовления азотируемых деталей предлагается применять хромомолибденованадиевые и хромованадиевые стали.

За последний тридцатилетний период увеличилось производство цветных металлов и их сплавов: меди, алюминия, титана и др. для нужд авиационно-космической и пищевой промышленности. При этом основное внимание будет уделено производству сплавов, подвергаемых термической обработке. Так потребление меди и ее сплавов, подвергаемых термической обработке, увеличиться от 70 до 90%, а алюминия и его сплавов – от 80 до 90% (по сравнению с общим объемом производства сплавов меди и алюминия).

Для нужд авиационной промышленности и техники высоких темпера- тур будет увеличено производство жаростойких и жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, легированных танталом, титаном, хромом, рением, цирконием. Наряду с перечисленными материалами в этих отраслях рекомендуется применять композиционные материалы на основе различных металлов. Высокими свойствами обладает алюминий, армированный волокнами бора, никелевые сплавы, упрочненные волокнами тугоплавких металлов.

Перспективно использовать в различных отраслях промышленности дисперсно-упрочненные композиционные материалы, прочностные свойства которых в 3 раза больше, чем монолитных сталей, а плотность значительно меньше (в 3-4 раза). Дисперсионно твердеющие жаростойкие сплавы в закаленном состоянии имеют высокую пластичность и хорошо обрабатываются давлением, после старения они имеют высокий комплекс механических свойств, при этом обладают низким уровнем деформации короблением при термообработке.

Перспективно применение изделий из порошковых материалов, обладающих пониженной теплопроводностью и повышенной склонностью к насыщению углеродом и азотом при химико-термической обработке. Высокое качество этих изделий обеспечивается применением нагревательных устройств регламентирующих состав контролируемой атмосферы и обеспечивающих изоляцию от воздуха при перемещении изделия в охлаждающее устройство.

1.2 Перспективы развития технологий термической обработки

Расширение производства полуфабрикатов и изделий из металлических материалов, подвергаемых термической обработке, позволит увеличить их эксплуатационную надежность. Предварительная термическая обработка (отжиги первого рода, нормализация, улучшение) будет проводиться в основном на металлургических заводах. При этом наиболее широкое распространение получит отжиг второго рода с ускоренным охлаждением в интервале температур Ас₃-Ас₁. При нагреве под закалку инструменты из быстрорежущей стали весьма перспективно применение защитных атмосфер для термообработки с объемным нагревом. Все шире будут применяться различные методы термической обработки для стабилизации размеров изделий (подшипники, инструмент, зубчатые колеса и др.). Для повышения эффекта стабилизации размеров предусматривается использование магнитной и ультразвуковой обработок.

Применение термомеханической обработки перспективно использовать не только в металлургической промышленности при производстве проволоки, лент, труб, арматуры и т.д., но и в машиностроении при изготовлении поковок и штамповок. При этом значительный эффект ожидается получить от применения защитных сред при нагреве под обработку давлением, а также высокостойкого инструмента.

Перспективно применение кипящего слоя при нагреве и охлаждении деталей. Это позволит в 2-3 раза увеличить скорость нагрева и осуществлять охлаждение с различными скоростями, промежуточными между скоростями охлаждения в воде и масле. Кипящий слой в будущем заменит соляные и свинцовые ванны при патентировании проволоки, при нагреве деталей сложной формы под закалку, при химико-термической обработке стальных дета- лей. В отношении химико-термической обработки перспективно применять в качестве насыщающих сред газовые смеси вместо твердых сред, что ускоряет процесс насыщения в 2-3 раза.

Существенные изменения намечаются в области применения закалочных сред. Будут использоваться масла с повышенной закаливающей способностью, не дающие пятен и пригаров на поверхности деталей, легко смывающиеся в водных растворах, со стабильными физико-химическими свойствами при длительной эксплуатации. Получат распространение водные растворы с закаливающей способностью, близкой к закаливающей способности масла.

Особенно высокие темпы развития получит применение вакуума при термической обработке. Он будет применяться при нагреве под закалку инструментальных сталей, при старении цветных сплавов (бериллиевая бронза, сплавы титана, алюминия и др.), для дегазации тугоплавких металлов (заготовки из тантала, ниобия, титана, вольфрама), для нагрева и отжига высоколегированных нержавеющих и жаростойких сталей и сплавов, при пайке цветных и тугоплавких металлов. Для термической обработки жаростойких металлов применяют вакуумные печи с высокими рабочей температурой (2000-3000 ^оС) и вакуумом (1,3×10^-5-1,3×10^-7 Па).

Новое перспективное направление – это использование вакуумной техники при химико-термической обработке, а именно, ионно-плазменная и ионная обработка. Применение этих методов резко ускоряет процессы диффузии азота, что позволяет сократить время насыщения в 2-8 раз по сравнению с обычным газовым азотированием. При применении ионной обработки обеспечивается возможность регулирования процессом азотирования, экономиться насыщающий газ; недостатками этого метода являются высокая стоимость установок и периодичность процесса. Перспективно применение новых технологических процессов получение многокомпонентных диффузионных слоев (газовое хромоалитирование, хромосилицирование, хромотитанирование и др.).

Широкое применение в промышленности найдет поверхностная термическая обработка со скоростным нагревом, сюда входят методы нагрева: индукционный, газопламенный, электронным и лазерным лучом, электрической дугой. Наиболее широко в промышленности используется индукционный нагрев с нагревом токами высокой частоты. Предполагается, что ежегодное увеличение термической обработки с индукционным нагревом составит около 15%. При этом более широко будут применяться токи средней частоты и в меньшей степени токи высокой частоты.

Следует отметить, что перспективно применять как для предварительной термической обработки, так и для окончательной термической обработки различные виды термомеханической и комбинированной обработок. Сюда входят высоко- и низкотемпературная термомеханическая обработки, термоультразвуковая обработка.