Лекция 1. Термическая обработка.

Роль термической обработки в повышении качества изделий и снижении металлоемкости машин .

План лекции

1. Перспективы развития металлических материалов

2. Перспективы развития технологий термической обработки

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, задиро- и 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. Аналогичная тенденция в вопросах повышения долговечности зубчатых пар и на заводах тяжелого машиностроения;

4. 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).

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).

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.

Для нужд авиационной промышленности и техники высоких температур 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.