Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Действие на сталь Название газа Химическая формула

Обезуглероживающее Кислород

Двуокись углерода

Водяной пар

Водород

Науглероживающее Метан

Окись углерода

Инертное Азот

Аргон

Гелий

Сырьем для приготовления контролируемых атмосфер (КА) обычно

служит природный газ, а в качестве его окислителя используется воздух или

технический азот. В состав нейтральных контролируемых атмосфер, полу-

чаемых из углеводородного газа, входят следующие компоненты: С0

, H

CO, Н

, СН

, N

-следы), которые при высокой температуре (выше A

) в

нагревательной камере печи взаимодействуют как между собой, так и с об-

рабатываемыми деталями.

Углеродный потенциал контролируемой атмосферы – это её науг-

лероживающая способность, которая соответствует содержанию углерода в

поверхностном слое обрабатываемой стали, находящейся в термодинамиче-

ском равновесии с газовой средой при данной температуре.

При определении углеродного потенциала KA для "нейтральной" тер-

мической обработки должно выдерживаться условие:

КА

аа

(I)

где -

КА

активность контролируемой атмосферы по отношению к

углероду обрабатываемой стали;

- активность углерода в поверхностном слое обрабатываемой стали.

Для расчета нейтрального состава контролируемой атмосферы, полу-

чаемой при сжигании природного газа, используется уравнение:

+ 2α(O

+nN

) → a

+ a

O + a

CO + a

+ a

(2)

где α - коэффициент расхода кислорода;

п - коэффициент, характеризующий отношение азота к кислороду (объ-

емные % ) в азотокислородной смеси (п=3,6);

, a

- объемные доли соответственно (CO

), (H

O), (CO),

( H

), (N

), в составе КA , м

/м

Для того, чтобы получить КA, являющуюся нейтральной по отношению к

обрабатываемой стали при соответствующей температуре, необходимо под-

держивать определенное значение коэффициента расхода кислорода α:

ACBB

−±−

(3)

где А, В,С - коэффициенты.

Для данных условий расчета действительным корнем уравнения яв-

ляется лишь один - положительный.

Для температур в пределах I 000-1 500 К (727-1 227 °С) и коэф-

фициенте расхода кислорода в пределах от 0,25 до 0,35:

O) или

)n(,

),(K

32750

250

+⋅α⋅

−

(4)

O) или

)n(,

).(M

32750

2502

+⋅α⋅

−

(5)

(CO) или

)n(,

)(P

32750

+⋅α⋅

−

(6)

) или

)n(,

)(Q

32750

+⋅α⋅

−

(7)

) или a

= 1 – [(CO

) + (H

O) + (CO) + (H

)], (8)

где К , М , Р , Q - константы, учитывающие изменения содержания СО

; Н

СО; H

в составе КA .

Значения коэффициентов находят по следующим формулам:

lg,

1093

3052

60031093

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

(9)

lg,

1093

4780

50031093

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

(10)

lg,

1093

0561

15321093

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

(11)

lg,

1093

1061

12311093

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

(12)

где Т - температура процесса термообработки, К.

Коэффициенты определяются по уравнениям:

A = 1,5 a

⋅

−P

⋅

Q; (13)

B = a

⋅

(2,25 – 0,375

⋅

n) + 2P

⋅

Q; (14)

C = −(0,5625

⋅

M + P

⋅

Q); (15)

где a

КА

- активность атмосферы;

- константа равновесия реакции С

γ-Fe

+ Н

О ↔ СО+H

Значение константы равновесия можно определить из уравнения:

554210028010092155611

56740

264

,T,,Tlg,

Klg

+⋅⋅−⋅−⋅+−=

−−

. (16)

Для нелегированной стали активность углерода в аустените может

быть определена из уравнения:

(17)

где N

- атомная доля углерода в аустените.

Связь между атомной долей углерода в аустените N

и концентрацией

углерода [С] (массовые доли в %) выражаются уравнением:

[

]

[]

C)(

CFeC

⋅μ−μ+⋅μ

⋅

(18)

где μ

, μ

- молекулярная масса железа и углерода соответственно (μ

= 56;

= 12).

В сложной газовой атмосфере печи, содержащей наиболее встре-

чающиеся компоненты СО, СО

, Н

О и Н

, изменение концентрации одного

из компонентов вызывает изменение концентрации остальных. Поэтому о

равновесии атмосферы с металлом и об углеродном потенциале можно су-

дить в соответствии с реакцией:

С0

+Н

↔ Н

0+С0 , (19)

В качестве компонентов для автоматического регулирования соста-

вом атмосферы принимают обычно Н

О или CO

. Содержание паров воды

обычно выражают в градусах Цельсия, соответствующих температуре точки

росы - температуре конденсации влаги из атмосферы при определенной тем-

пературе, которая определяется по табл. 8.

Таблица 8

Температура точки росы и объемное содержание влаги в КА

Точка росы, °С

Объёмное содержание влаги в 1м

газа (воздуха), %

сухого влажного

-40

-35

-30

-25

-20

-15

0,0122

0,0220

0,0369

0,0621

0,102

0,1640

0,122

0,022

0,0368

0,062

0,101

0,163

-10

-8

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0,2570

0,306

0,364

0,397

0,432

0,471

0,512

0,568

0,256

0,305

0,363

0,395

0,43

0,469

0,510

0,555

alg

511

317

67350

2105

−

⋅+−=

Точка росы, °С

Объёмное содержание влаги в 1м

газа (воздуха), %

сухого влажного

0,605

0,652

0,701

0,753

0,810

0,868

0,93

0,998

1,07

1,14

1,22

0,602

0,648

0,697

0,748

0,804

0,860

0,922

0,988

1,06

1,13

1,21

1,31

1,40

1,50

1,60

1,71

1,82

1,95

2,08

2,22

2,36

1,29

1,38

1,48

1,58

1,68

1,79

1,93

2,04

2,17

2,30

3. Выбор типа защитной атмосферы

Газовые среды классифицируются по свойствам, то есть отношению

при температуре выше А

железа и углерода нелегированных сталей, и раз-

биты на четыре группы – класса:

1) окислительный класс (0);

2) восстановительный класс (В);

3) нейтральный класс (Н);

4) инертный класс (И).

Наименование, состав, обозначение (тип) печных атмосфер ней-

трального класса даны в табл. 9.

Таблица 9

Наиболее часто используемые в производстве КА

Наименование печной

атмосферы

Средний состав атмосферы,

% (объёмн.)

Температура

точки росы,

Условное

обозначение

атмосферы

CO H

Эндогаз Сухой 1 20 40 0.5 39 до –20 H-40/20

Влажный 2 17 30 0.1 51 15-25 H-30/17

Эндогаз

(азотный)

Богатый 0.5 8 16 0.3 76 до –40 H-16/8

Бедный 0.1 2 4 0.1 94 до –60 H-4/2

Экзоэндогаз Богатый 1 20 20 0.5 59 до –20 H-20/20

Бедный 0.1 1 3 0.1 96 до –60 H-3/1

По рассчитанным значениям компонентов в составе газовой среды оп-

ределяется наименование и тип нейтральной контролируемой атмосферы.

Рекомендуется следующий порядок выбора формул для расчета: 18-16,

9-15, 3-7.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Исходные данные:

− содержание углерода в нагреваемой стали 0,5 %;

− температура процесса термообработки 927 °С = 1200 К.

02290

5012561012

5056

,)(

⋅−+⋅

⋅

5002149980

0229051

02290

022901

02290

1200

317

67350

1200

2105

,alg

=−=

⋅−

−

⋅+−=

a = 0,3164

557115542

12001002801200100921120055611

1200

56740

264

)(,,lg,

Klg

+⋅⋅−⋅⋅−⋅−−=

−−

= 36.07

4. 02031

1200

1093

3052

1200

6003

1200

1093

,lg,K =⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+=

72210

1200

1093

4780

1200

5003

1200

1093

,lg,M =⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

81610

1200

1093

0561

1200

1532

1200

1093

,lg,P =⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

82420

1200

1093

1061

1200

1231

1200

1093

,lg,Q =⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−=

5. A = 1,5⋅0,316⋅36,07⋅0,7221⋅3,8 – 0,8161⋅0,8242 = 46,2417

B = 0,316⋅36,07⋅0,7221⋅ (2,25 – 0,375⋅3,8)+2⋅0,8161⋅0,8242 = 8,1354

C = −(0,5625⋅0,316⋅36,07⋅0,7221+0,8161⋅0,8242) = −5,3023

6. 2620

2417462

3023524174641354813548

),(,,,

⋅

−⋅⋅−±−

=α

7. (CO

) %,л/л,

),,(,

a 3270003270

38326202750

250262002031

+⋅⋅⋅

−

⋅

%,л/л,

),,(,

a 4630004630

38326202750

2502620722102

+⋅⋅⋅

−

⋅

(CO)

%,л/л,

),,(,

),(,

a 091616090

39326202750

2620181610

+⋅⋅⋅

−⋅

)

%,л/л,

),,(,

),(,

a 5323250

38326202750

26201824202

+⋅⋅⋅

−

⋅⋅

)

[]

%,л/л,,,,,a 650506203250160900046300032701

−

8. Температура точки росы t

=−4 °C

9. На основании выполненных расчетов в качестве КА выбираем эндо-

газ влажный типа H-30/I7.

Контрольные вопросы

1. Основной способ предупреждения окисления и обезуглероживания

деталей

− применение защитных атмосфер. Укажите типы атмосфер, исполь-

зуемых при температурах 850, 550 и 250 ºС.

2. Приведите классификацию контролируемых атмосфер. Укажите ка-

кими параметрами они характеризуются.

3. Контролируемые атмосферы. Укажите в основе какого процесса

лежит реакция водяного пара, напишите эту реакцию.

4. Защитные атмосферы. Перечислите исходные данные и последова-

тельность выбора атмосферы.

5. После закалки

деталей с нагревом и выдержкой в защитной атмо-

сфере образовалась окалина. Укажите возможные причины этого явления и

меры предупреждения.

6. Для чего используют защитную или контролируемую атмосферу?

7. На какие группы (классы) разбиты газовые среды?

8. Какие необходимы исходные данные для расчета состава нейтраль-

ной контролируемой атмосферы?

9. Что значит понятие нейтральная контролируемая атмосфера?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 17

Определение структуры и свойств патентированной проволоки

из стали У7

Цель занятия: освоить методику определения свойств проволоки в за-

висимости от содержания углерода

Решаемые задачи:

1. Определить преимущества патентирования по сравнению с други-

ми способами упрочнения проволоки;

2. Рассчитать основные параметры процессов патентирования;

Построить график термической обработки патентированием;

Описать изменения структуры проволоки в зависимости от этапа

патентирования;

Сделать выводы.

Патентирование широко применяется при производстве стальной вы-

сокопрочной проволоки из средне- и высокоуглеродистых сталей (0,35 -

0,94% С). Патентирование включает нагрев проволоки до аустенитного со-

стояния с последующим изотермическим охлаждением, которое обеспечива-

ет распад аустенита на тонкую феррито-карбидную смесь, что позволяет из-

бежать выделения в структуре избыточного феррита. Такая структура

дает

возможность применить к проволоке операцию холодной деформации воло-

чением с суммарной степенью обжатия выше 90%.

Режимы обработки определяются составом сталей и диаметром про-

волоки. Химический состав стали зависит от требуемой прочности проволо-

ки и определяется по формуле:

= (100 ⋅С – d + 53) ⋅ 10, [МПа]

где

– предел прочности проволоки, МПа

С – содержание углерода в стали, %

d – диаметр проволоки, мм.

Температура аустенизации для проволоки диаметром менее 6 мм рас-

считывается по формуле:

t = 900 – 50

⋅ C + 10 ⋅ d, [°С].

Эта температура обычно выше температуры закалки и отжига и при-

водит к более полному растворению карбидов и высокой гомогенизации ау-

стенита. Время выдержки при температуре аустенизации определяется по

формуле:

τ = 30 + 5 ⋅ d

, [мин] для проволоки d ≤5 мм,

τ= 30 + [(5 + d)/2 ] ⋅ d

, [мин] для d > 5 мм.

Температура изотермической выдержки также может быть определена

расчетным методом по формуле:

t = 490 + 60

⋅ C − 15 ⋅ d, [°С].

Выполнить расчет параметров патентирования для проволоки диамет-

ром 0,6-1,2 мм с пределом прочности равным 1000-1 500 МПа.

Контрольные вопросы

1. Как подразделяют проволоку в зависимости от диаметра?

2. Какие свойства проволоки регламентируются в нормативной доку-

ментации?

3. Приведите маршрутную технологию изготовления проволоки.

4 Что такое патентирование проволоки?

5. Перечислите отличия в технологии патентирования проволоки

средней толщины и тонкой из одной марки стали.

Список литературы

Башнин Ю.Ф., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической об-

работки стали. М.: Металлургия, 1986.-424с.

Соколов К.Н., Коротич И.К. Технология термической обработки и

проектирование термических цехов.- М.:Металлургия, 1988. – 384с.

Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в ста-

лях и

β - раствора в сплавах титана. Справочник. М.:Металлургия, 1991.-

502с.

Биронт В.С. Теория термической обработки металлов. Теплофизиче-

ские основы и расчеты.: Учеб. пособие / ГАЦМиЗ: Красноярск, 2001.-132 с.

Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред.

Ю.М.Лахтина, А.Г. Рахштадта.- М.: Машиностроение, 1980.-783с.

Металловедение и термическая обработка стали: Справочник в 3 т.

/Под ред. М.Л.Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1983.-367 с.

Технология термической обработки стали. Лейпциг, 1976. Пер. с нем.

М.: Металлургия, 1981.-608 с.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник

/Под ред. Л.С. Ляховича. М.: Металлургия, 1981.-424 с.

Смольников Е.А. Термическая обработка инструментов в соляных

ваннах. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

10.

Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка ме-

таллов.- М.: Металлургия, 1985.-256 с.

11.

Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы, М.: Метал-

лургия, 1981.-648 с.

12.

Йех Я. Термическая обработка стали: Справочник /Под ред.

Ю.Г.Андреева и В.Б.Фридман. – М.: Металлургия, 1979.-264 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Практическая работа №1. Разработка маршрутных технологий получе-

ния различных изделий………………………………………………

Практическая работа №2, №3. Расчет времени нагрева и выдержки при

различных операциях термической обработки……………………………..

Практическая работа №4, №5. Расчет времени нагрева по программе

«teplo»………………………………………………………………………….

Практическая работа №6. Установление технологических параметров

охлаждения деталей при закалке и выбор закалочной

среды……………..

Практическая работа №7, №8. Определение прокаливаемости по хими-

ческому составу сталей………………………………………………...

Практическая работа №9, №10. Расчет параметров нагрева при закалке

токами высокой частоты и выбор оборудования………………………….

Практическая работа №11. Расчет мощности установки т.в.ч. и опреде-

ление конструкции индуктора……………………………………….

Практическая работа №12, №13, №14.

Расчет времени нагрева, выдерж-

ки и охлаждения деталей при химико-термической обработке…..

Практическая работа №15, №16. Выбор и расчет состава нейтральной

контролируемой атмосферы…………………………………………………

Практическая работа №17. Определение структуры и свойств патенти-

рованной проволоки из стали У7…………………………………...