4.3 Управление качеством продукции за счет контроля процессом

В разных термических операциях показатели качества зависят в основном от нескольких параметров. Наиболее важными из них являются температура и время, а также состав атмосферы в печи или расплава в ванне. Между внешними воздействующими факторами, способами выполнения операций и длительностью обработки устанавливаются и строго поддерживаются определенные количественные соотношения. И при изменении хотя бы одного из названных факторов во избежание погрешностей необходимо провести коррекцию показателей других факторов.

Такая необходимость объясняется тем, что в каждый отдельный отрезок времени в термическом оборудовании (печи) устанавливается определенное энергетическое равновесие между количеством получаемого и потребляемого тепла. В случае нарушения этого равновесия энергетическая система оборудования самопроизвольно стремится его выровнять за счет изменения либо температуры рабочего пространства, либо скорости нагрева деталей.

Так при уменьшении размера садки, но при сохранении прежней длительности и температуры может произойти перегрев деталей, а при повышении массы – недогрев. Поэтому необходимо выполнять загрузку одинаковых партий деталей по массе, способу укладки, расчетному сечению. Контроль качества металлоизделий относится к прямым (непосредственным) методам управления качеством продукции

Контроль процесса термической обработки является косвенным методом управления качеством продукции. Частота проверки параметров термообработки в первую очередь определяется степенью автоматизации и механизации оборудования для ее проведения, а также устойчивостью технологического процесса.

Контрольные вопросы

1. Укажите виды контроля и их принципиальные отличия.

2. Объем контроля качества деталей определяется ... .

3. Укажите параметр контроля качества деталей и варианты, когда проверяют 100% и 1% деталей.

4. Укажите три способа контроля глубины слоя после ХТО.

5. Перечислите три способа неразрушающего контроля качества деталей.

6. Начертите график термообработки, стабилизирующей прокаливаемость деталей из сталей 25ХГМ, 25ХГТ, и укажите назначение такой термообработки.

7. Опишите способ обработки, уменьшающей в 2 раза изменение размеров шестерен при нитроцементации, и укажите явление, лежащее в основе этого способа.

8. Перечислите способы предварительной термической

ТЕХНОЛОГИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМООБРАБОТКИ

Технологические задачи и характеристика предварительной термической обработки

План лекции

1.Технологические задачи и характеристика предварительной термической обработки

2. Виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, сфероидизирующий, низкий, нормализационный

К технологическим задачам предварительной термической обработки (ПТО) относятся:

1. Улучшение технологичности при производстве деталей обработкой резанием, холодной и горячей пластической деформацией;

2. Повышение точности геометрии изделий за счет уменьшения коробления и деформации при окончательной термической обработке (ОТО).

Ускорение процессов диффузии при ОТО;

3. Улучшение свойств готовых деталей путем воздействия на микроструктуру (размер зерна, создание определенной субструктуры, распределение избыточных фаз).

Следовательно, создание технологических процессов ПТО улучшает свойства готовых изделий и облегчает условия их изготовления в производстве, являясь при этом важной инженерной и научной задачей.

ПТО для улучшения обрабатываемости резанием сплавов используется с целью повышения производительности труда при выполнении этой операции, что важно в условиях массового и крупносерийного производства, и улучшения качества поверхности изделий. Около 45% автомобильных деталей и сельскохозяйственных машин изготавливается операциями обработки резанием.

Обрабатываемость материалов резанием в основном характеризуется силой и скоростью резания, качеством обрабатываемой поверхности, видом образующейся стружки. Все эти факторы зависят от свойств обрабатываемого материала, которые определяются его структурой. При этом микроструктура является основным фактором, влияющим на обрабатываемость. Можно подбирать новые инструменты, смазывающие и охлаждающие жидкости, однако правильно подобранный режим термической обработки с получением требуемой структуры гораздо важнее экспериментов с изменением режимов механической обработки.

Например, некоторые детали автомобиля изготавливают из чугуна. После изучения влияния его микроструктуры на обрабатываемость установлено, что:

1. Ферритная и перлитная структуры с грубыми карбидными частицами приводит к быстрому изнашиванию режущего инструмента;

2. Значительное количество феррита снижает износостойкость инструмента и повышает склонность к налипанию стружки на него;

3. Чисто перлитная структура снижает производительность при обработке резанием;

4. Грубые частицы графита способствуют выкрашиванию и ускоренному износу инструмента;

5. Оптимальная структура должна содержать регламентированные по форме и размеру включения графита и карбидов, оговоренное количество феррита.

Оценка обрабатываемости по твердости, пределу текучести или пределу прочности показала, что для сталей с содержанием углерода до 0,2% рекомендуется проведение нормализации с ускоренным охлаждением обдувом сжатым воздухом; при 0,2-0,4% С – нормализация с охлаждением на спокойном воздухе; с 0,4-0,6% С – изотермический отжиг. Трудность в определении оптимального режима ПТО заключается в том, что для различных операций резания более благоприятны сфероидизированные структуры, а для протягивания, сверления, расточки – структура мелкопластинчатого перлита.

ПТО для улучшения обработки давлением проводится с целью подготовки структуры для холодной листовой или объемной штамповки в условиях двухосного и трехосного напряженного состояния и значительной деформации >50 %. Особенности пластической деформации при этих обработках предъявляют к структуре материала дополнительные требования. Во-первых, резко возрастает роль макроструктуры, она должна быть с высокой степенью однородности, не иметь металлургических дефектов (пористость, рыхлоты, расслоения, ликвационные зоны) содержать минимальное количество неметаллических включений, желательно сферической формы. Во-вторых, микроструктура должны быть однородной, мелкозернистой, с равномерным распределением избыточных сфероидизированных фаз, без выделения их по границам зерен матричной фазы, особенно в виде непрерывной сетки.

В стальных деталях решающее значение для улучшения штампуемости имеет сфероидизация цементита. Для особо сложной объемной штамповки количество сфероидизированного цементита от его общего содержания должно быть >80%. От ПТО в этом случае требуется решить две задачи - получить максимальную гомогенизацию матрицы и наибольшую вероятность сфероидизации частиц второй фазы, что достигается двойной термической обработкой. Первой является гомогенизационный отжиг или отжиг- нормализация, второй - изотермический или сфероидизирующий отжиг.

ПТО для повышения точности размеров готовых деталей выполняется с целью уменьшения коробления и деформации в процессе изготовления деталей. Причинами, приводящими к изменению размеров, являются напряжения, возникающие в изделиях в процессе упругой и пластической деформации во время всего цикла обработки. Они складываются из термических напряжений, образующихся при нагреве и охлаждении; напряжений от структурных и фазовых превращений; напряжений, возникающих в садке под собственным весом деталей, и внутренних напряжений, наследованных от предыдущих операций обработки (литье, резание, обработка давлением и т.д.). Различают равномерное изменение размеров (геометрическая форма изделий сохраняется), равномерно-постоянное коробление (равномерная конусность кольцевых тел) и неравномерное (переменное) коробление.

Снизить и стабилизировать все виды коробления можно варьированием и стабилизацией прокаливаемости стали. Например, для доэвтектоидной низколегированной стали 40ХНМ наилучшие результаты из трех видов ПТО: отжиг на пластинчатый перлит, отжиг на зернистый перлит, нормализация дает нормализация. Стабилизация возможна и путем регулирования размера и количества трудно растворимых карбидов и нитридов. Так в стали 25 в результате ПТО на мелкое зерно прокаливаемость и деформация уменьшаются более чем в 1,5 раза. Оптимальный режим ПТО большинства конструкционных сталей включает ускоренное охлаждение от температуры конца горячей деформации до 700-500 °С, изотермическую выдержку при 600-680 °С, 3 ч, замедленное охлаждение до 400-200 °С и дальнейшее охлаждение на воздухе (25ХГМ, 20ХГМАЮ, 25ХГТ, 30ХГТ и др.).

Еще один путь уменьшения изменения линейных размеров можно осуществлять в процессе α→γ→α превращения. При этом сущность стабилизации размеров заключается в том, что при определенных условиях холодной пластической деформации в α -фазе к моменту начала ее перехода в аустенит создается сильно развитая субструктура с разориентировкой субзерен близкой к большеугловой, на которых также, как и на межфазных границах, формируются устойчивые зародыши γ -фазы. Поэтому значительно, на несколько порядков, возрастает число зародышей аустенита и создаются предпосылки для равномерных объемных изменений α→γ и γ→α превращений. Технологически это достигается за счет предварительной пластической деформации (волочение) и последующей перекристаллизации или осадка со степенью деформации ~30 % и последующей нитроцементации, что приводит почти к двух кратному уменьшению изменения размеров.

ПТО для улучшения свойств готовых деталей выполняется с целью получения мелкого и сверхмелкого зерна. Получение такой структуры в стали возможно при скоростном нагреве после предварительной подготовки структуры операциями улучшение, термоциклическая обработка при печном или электронагреве. Так закаленная сталь 40 после повторного нагрева под закалку со скоростью 500 °С⁄с и окончательного низкого отпуска при ~150 ^оС имеет на 15% больший предел прочности при незначительном понижении пластичности.

Рациональными режимами ПТО для средне- и высокоуглеродистых сталей является закалка с высоким отпуском или нормализация с высоким отпуском. Цементуемые и легированные стали с целью повышения свойств в готовых изделиях рекомендуется ускоренно охлаждать с температуры конца горячей деформации. Для наследственно крупнозернистых сталей (стали 25, 45) проведение двойной закалки: закалка с объемного печного нагрева и отпуск, затем повторная закалка с высокой скоростью нагрева токами высокой частоты и низкий отпуск. Такие различные виды ПТО могут повысить конечные свойства деталей на 10-30%.

Высокоуглеродистую сталь 110Г13Л перед закалкой рекомендуется отжигать при ~550 ^оС с целью значительного измельчения зерна аустенита.

Предварительная нормализация из межкритического интервала температур (А₁-А₃) чугунов повышает комплекс механических свойств после окончательной термической обработки. Различные виды термомеханической обработки позволяют формировать в металлических материалах устойчивую до высоких температур субструктуру. Элементы такой субструктуры оказывают значительное влияние на окончательно формируемые структуру и свойства.

Универсальным способом повышения конструктивной прочности сплавов является ПТО, формирующая оптимальные размеры избыточных фаз и равномерное их распределение в матрице. Это приводит к снижению концентрации легирующих компонентов в матричном твердом растворе и как следствие к понижению внутренних напряжений и повышению пластичности. Для получения мелкого зерна аустенита при высокотемпературных нагревах целесообразно использовать стали легированные Ti, V, Nb, Al и другими элементами, образующими в структуре труднорастворимые карбиды и нитриды.

5.1 Маршрутные технологии получения заготовок. Виды отжига Производственный цикл получения заготовок и полуфабрикатов до этапа первичной (предварительной) термической обработки можно представить в виде двух схем:

1. Приготовление расплава; литье слитков; термическая обработка слитков, которая может отсутствовать; горячая деформация; ПТО.

2. Приготовление расплава; литье отливок; обработка отливок; ПТО. Виды предварительной термической обработки – это чаще всего различные отжиги: диффузионный (гомогенизационный), полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий, нормализационный, до- или рекристаллизационный, низкий для снятия напряжений, противофлокеновый.

Диффузионный отжиг применяется для выравнивания химического состава, то есть устранения дендритной (внутрикристаллитной) ликвации, понижения твердости слитков из легированных сталей при температурах 1100- 200 ^оС, выдержке при этой температуре 12-15 ч, что приводит к росту зерна.

Этот недостаток микроструктуры устраняется горячей обработкой давлением (ковка, прокатка, прессование). Массивные заготовки из легированных сталей после ковки проходят противофлокеновый отжиг, а затем для устранения неоднородности в структуре полный, неполный, изотермический отжиг или нормализацию с высоким отпуском или без него. Выбор вида ПТО определяется требуемыми свойствами поковки и характером последующей термической обработки.

Чаще всего отливки имеют крупнозернистую неравновесную структуру с неоднородным распределением избыточных фаз. В сталях это, как правило, видманштеттовое строение феррита, сетка феррита или цементита. Поэтому они проходят ПТО в виде диффузионного или полного отжига, нормализации с отпуском или без него. Полуфабрикаты после холодной обработки давлением проходят до- или рекристаллизационный отжиг. Такая ПТО позволяет устранить наклеп и восстановить пластичность материала.

Сфероидизирующий отжиг проходят полуфабрикаты из заэвтектоидных сталей. Низкотемпературный отжиг применяется для снижения твердости и снятия остаточных напряжений легированных сталей, в которых отсутствует перлитное превращение (стали аустенитного, ферритного класса).

Контрольные вопросы

1. К технологическим задачам предварительной термической обработки (ПТО) относят…

2. Перечислите способы предварительной термической обработки (ПТО) для повышения свойств готовых изделий.

3. Предложите способ ПТО, повышающей свойства готовых изделий из стали 40Х, с указанием причины.

4.Зарисуйте две схемы производственного цикла получения заготовок и полуфабрикатов до ПТО.

5. Назовите виды предварительной термической обработки (отжиги) и кратко охарактеризуйте каждый из них.

ОТЖИГ 1-го РОДА.

ОТЖИГ, УМЕНЬШАЮЩИЙ НАПРЯЖЕНИЯ.

Понятие отжига объединяет в себе операции термической обработки, направленные на восстановление равновесного состояния металлического вещества, нарушенного при технологической предыстории получения обрабатываемого изделия.

Достигаемая в результате отжига степень равновесия может быть полной либо частичной в зависимости от поставленной задачи и исходной степени метастабильности материала изделия. Как и любая операция термической обработки, отжиг включает в себя технологические переходы: нагрев до температур, достаточных для развития процессов, приводящих к установлению равновесия, выдержку при заданной температуре, необходимую для завершения этих процессов с требуемой полнотой, с последующим, как правило, медленным охлаждением, исключающим возникновение новых эффектов метастабильности.

Однако в некоторых случаях получение полного равновесия в системе отрицательно сказывается на свойствах готового изделия, в связи с чем, конкретные технологии отжига предусматривают те или иные особенности режимов, ограничивающие степень его достижения. Часто достижение полного равновесия в системе экономически не оправдано, поскольку требует слишком больших затрат технологического времени процесса. Таким образом, операция отжига была бы не нужна, если бы в процессе получения изделия не возникали структурные несовершенства, обусловленные особенностями технологии их получения.

Однако, в соответствии со вторым законом термодинамики при любых процессах тепломассообмена, реализуемых при получении изделий и их обработке, часть затрачиваемой энергии расходуется на изменение внутренней энергии обрабатываемого вещества, приводя его в метастабильное состояние. Степень метастабильности и характер структурных дефектов зависят от вида технологического процесса получения изделия и свойств самой системы.

Простейшими неоднородностями в металлическом материале, не осложняемыми фазовым превращением, являются: наличие в структуре остаточных упругих напряжений, возникающих при различных внешних воздействиях на кристаллиты и не исчезающих после окончания обработки; наличие химической неоднородности в распределении компонентов по сечению твердого раствора в материале изделия или наличие метастабильных структурных и фазовых составляющих, не свойственных равновесному состоянию материала; наличие избыточного количества физических неоднородностей в кристаллическом строении реального материала, таких как: точечные (вакансии, дислоцированные атомы), линейные (дислокации: краевые, винтовые, смешанные и др.), поверхностные (субзеренные границы и границы зерен); несовершенства, обусловленные различиями кристаллографической ориентировки соседних кристаллитов в поликристаллическом веществе.

Большинство технологических процессов получения изделий, в том числе литейные процессы, технологии обработки давлением, сварки, механической и термической обработки могут вызвать образование комплекса дефектов из перечисленного выше перечня, однако каждой технологической операции наиболее свойственны те или иные виды дефектов.

В литых материалах после неравновесной кристаллизации образуются химические неоднородности в виде дендритной (внутрикристаллитной) ликвации и неравновесных структурных составляющих, строение которых зависит от типа диаграммы фазового равновесия. Избыток физических дефектов в виде повышенной плотности дислокаций в материале также может оказывать влияние на структурные изменения при отжиге. И все же, рассматривая структурные изменения при отжиге-гомогенизации, мы основное внимание при изучении структурных превращений будем уделять устранению химической неоднородности.

Деформированные материалы характеризуются дефектной структурой, обусловленной, главным образом, с избытком физических неоднородностей, что дает нам право рассматривать рекристаллизационные явления на этом материале. Однако необходимо иметь в виду, что диффузионные процессы в деформированном материале также протекают и могут, например, вызывать эффекты деформационного старения, торможения дислокаций атомами примесей и, наоборот, ускорения диффузионных процессов за счет избытка создаваемых точечных дефектов, возникающих при больших степенях деформации. Наконец, при любых технологических операциях в изделиях формируется достаточно высокий уровень остаточных внутренних напряжений, как в микрообъемах, соизмеримых с размерами зон упругого взаимодействия отдельных дефектов кристаллического строения, (микронапряжения 3-го рода), или размерами зерен (микронапряжения 2-го рода), так и в макрообъемах, соизмеримых с объемом целого изделия, либо его отдельных частей (макронапряжения или напряжения 1-го рода).

Устранение физических либо химических дефектов структуры, не связанных с процессами фазовой перекристаллизации, а обусловленных неравновесной кристаллизацией, пластической либо упруго-пластической деформацией, при получении изделий и их обработке достигается путем отжига первого рода.