Разработка технологического процесса для термической обработки нижних рубочных ножей

Углеродистые стали целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или толщиной 18–25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

 

Таблица 2.1 – Режим термической обработки углеродистой инструментальной стали

 

Марка стали	Закалка		Отпуск
	Tз, °С	Твердость HRCЭ	Тотп, °С	Твердость HRCЭ
У8, У8А	780–800	63–65	150–160 200–220	61–63 57–59

Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 20 °С.

 

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет »  1800–2700 МПа.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

 

 

2. Определение температуры и режима нагрева изделия

 

Нагрев под закалку изделия является наиболее важной частью операции термообработки. Он определяет качество термообработки и производительность печи. Разработку нагрева садки необходимо начать с формирования ее на поду печи. Размещение деталей должно быть оптимальным, то есть обеспечивающим равномерный нагрев и максимальную производительность печи.

Температура нагрева определяется составом стали и ее назначением.

Под режимом нагрева понимают закон изменения температуры печи в процессе нагрева. Он определяет скорости нагрева изделий до заданной температуры, количество, продолжительность и температуры выдержек, а также общую продолжительность процесса.

Режим определяется маркой стали, формой и размерами изделий, их расположением относительно друг друга, конструкцией и назначением печи.

В практике нагрева стальных изделий и слитков известны одно-, двух, трех- и многоступенчатые режимы нагрева. Выбор того или иного режима в значительной мере определяется величиной термических напряжений, возникающих при нагреве вследствие неоднородного температурного поля по сечению изделия.

Нагрев тел сопровождается увеличением их объема. Наружные слои, имеющие температуру большую, чем средние, стремятся расшириться, но за счет воздействия на них внутренних слоев находятся в сжатом состоянии. Внутренние слои имеют температуру ниже средней, поэтому будут растягиваться. Следовательно, причина возникновения температурных напряжений температурный градиент по сечению тела. Величина напряжений зависит также от механических свойств стали.

Кроме температурных напряжений, в изделии могут быть и структурные напряжения, обусловленные структурными превращениями в металле.

Термические напряжения, возникающие при нагреве тонких тел, незначительны. Поэтому скорость нагрева в этом случае может быть максимальной. Режим, удовлетворяющий этому условию, характеризуется постоянной температурой греющей среды либо во времени, либо по длине рабочего пространства. Такой режим называют одноступенчатым. Его целесообразно применять для нагрева термически тонких тел в современных механизированных и автоматизированных проходных печах.

Возникновение температурных напряжений в термически массивных телах особенно опасно при нагреве до температур порядка 500 °С, пока сталь не станет пластичной, поэтому скорость нагрева необходимо снижать в указанном температурном интервале с целью получения нужного градиента температур по сечению изделия, что достигается применением двухступенчатого режима. Он характеризуется пониженной температурой печи в начале процесса и медленным ее повышением до наступления пластичного состояния стали. В первый период температура печи медленно повышается от минимальной до максимальной. Скорость повышения температуры печи определяется маркой стали и размерами изделий. После достижения пластичности изделие нагревают при максимальной температуре печи, но так, чтобы к концу нагрева перепад температур по сечению не превышал заданного значения.

По двухступенчатому режиму работают методические кузнечные печи, кузнечные печи для нагрева садок средних и крупных заготовок или слитков, печи с выдвижными подами.

Трехступенчатый режим применяется для нагрева очень крупных слитков в камерных печах или для нагрева заготовок в современных высокопроизводительных печах. Здесь помимо периода медленного нагрева, периода ускоренного нагрева имеется еще период выдержки, предназначенный для уменьшения перепада температур по сечению и реализуемый при пониженной температуре печи.

Температурный режим печи обязательно связан с тепловым, с подачей в печь топлива или электроэнергии в определенном количестве для всех стадий или периодов нагрева.

 

3. Расчет времени нагрева садки

Нагрев изделий является наиболее важной частью почти любой операции термообработки (кроме ХТО и некоторых видов отжига). Он во многом определяет качество термообработки и производительность печи, поэтому должен быть особо тщательно разработан. Решение задачи необходимо начинать с укладки деталей (изделий) на поду печи (укладки корзины или формирования подвески в шахтных печах). Размещение деталей должно быть оптимальным, т.е. обеспечивающим равномерный нагрев и максимальную производительность печи.

Для ножей из стали У8:

tmk=Ac3+30-60

tmk=765+35=800oC

tc=800+(30÷40)=800+30=830oC

Расчет времени нагрева необходимо начинать с определения критерия Био:

γcp=(γ20+γ800)/2=(46+26)/2=36 Вт/(м*К)

αлср==104,680378

С0=5,7 Вт/м2*К4 – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

где ε=0,6 – приведенная степень черноты при теплообмене в термических печах с окислительной атмосферой 
αк=5+3,4*2,5=13,5 Вт/(м2*К)

αср=104,68+13,5=118,18

Bi==

 

При значении критерия Вi < 0,25 изделие считается теплотехнически тонким. Время нагрева τн «тонкого» тела рассчитывается по формуле:

 

                                        ,                               (2.1)

где       Кэ – коэффициент экранирования, зависящий от укладки изделий в печи;

G – масса изделия, или  наиболее массивной его части, кг;

Сср – средняя теплоемкость, Дж/кг•К;

αср – средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2•К;

F  – площадь тепловоспринимающей  поверхности изделия, или его  наиболее массивной части, м2;

tс –  температура печи, °С;

tмн и tмк–  соответственно начальная и конечная температура изделия, °С.

F = 0,33 м2

 

0,8 часа

Время выдержки зависит от химического состава стали, для низколегированной стали время выдержки составляет 25-35% от времени нагрева.

 

τвыд1 = 0,8·0,35 =   0,3 ч.

 

 

4. Определение времени выдержки и режима охлаждения садки

 

Для теплового расчета печи и ее теплотехнических показателей имеет существенное значение правильность назначения времени выдержки садки после её нагрева до заданной температуры, а также время её охлаждения, если садка охлаждается в печи, т.е. при отжиге.

Время выдержки зависит от химического состава стали, из которой сделаны изделия, а также от массивности изделий типа садки. Рекомендации по времени выдержки проводятся в учебниках по технологии термообработки и в различных справочниках. Можно использовать следующие наиболее часто встречающиеся рекомендации: для изделий из углеродистых сталей – 20-25% от времени нагрева, для низколегированный сталей – 25-35%, среднелегированных – 40-50% и высоколегированных – 50-100%.

После закалки обязательно делается отпуск для получения более стабильного состояния сплава. Он снимает напряжение, устраняет остаточный аустенит и обеспечивает окончательные свойства сталям.

Отпуск для стали У8 следующий: однократный 2 часовой с температурой  300-320 оС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Т,°С

                  800-830 °С

                     

 

 

 

масло

 

                                                                                    300-320 °С

 

                                                                                                        воздух

   

           0,8      0,3                                                                       2            τ, час

 

Рисунок 2.1 - График термической обработки ножей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

 

3.1. Выбор основного, дополнительного и вспомогательного оборудования

 

Все оборудование термических цехов разделяется на основное, дополнительное и вспомогательное.

К основному относится оборудование, применяемое для выполнения технологических операций термической обработки, связанных с нагревом и охлаждением деталей: печи; нагревательные установки и охлаждающие устройства (закалочные баки, закалочные машины и оборудование для глубокого охлаждения).

К дополнительному относится оборудование, которое применяется для выполнения дополнительных технологических операций в термических цехах—правки и очистки деталей: правильные прессы и очистные установки — травильные ванны, дробеструйные аппараты, моечные машины и т. д.

К вспомогательному относятся: установки для приготовления карбюризатора и контролируемых атмосфер, подъемно-транспортное оборудование — мостовые краны, поворотные краны, рольганги, транспортеры, конвейеры и т. п.; теплоэнергетическое оборудование, в состав которого входят устройство для охлаждения закалочной жидкости, санитарно-техническое оборудование и т.д.

Печи и нагревательные установки, относящиеся к основному оборудованию термических цехов, можно классифицировать по технологическому назначению, источнику тепловой энергии, способу и степени механизации и использованию различных сред при нагреве.

По технологическому назначению печи и нагревательные установки термических цехов группируются в зависимости от операций, для которых они предназначены (закалочные, отпускные, цементационные и т. д.).

По источнику тепловой энергии печи и нагревательные установки подразделяются на печи, работающие на жидком или газообразном топливе, и электрические печи.

Печи можно классифицировать по способу и степени механизации. Печи с механизацией продвижения деталей разделяются на толкательные, конвейерные с вращающимся подом и т. п. Они могут иметь устройства для ручной выгрузки изделий, для автоматического сброса изделий в закалочный бак и др. К печам без механизации относится большинство камерных печей.

Кроме того, печи можно различать по признаку использования различных сред при нагреве изделий. Согласно этому признаку, печи могут иметь в рабочем пространстве контролируемую атмосферу, например, можно создать в печи нейтральную (неокисляющую и необезуглероживающую) или же науглероживающую атмосферу и т. д. К этой группе относятся печи с контролируемой атмосферой, вакуумные и печи-ванны с расплавленными солями или металлами.

К термическим печам предъявляется ряд требований. Печи должны быть компактными и иметь хорошую теплоизоляцию наружного слоя футеровки. Кладка печи должна быть заключена в металлический кожух. Температура кожуха во время работы печи не должна превышать 50— 60° С. Рабочие камеры термических печей, работающих на мазуте, должны быть отделены от камер сжигания топлива. Рекомендуется располагать камеры сжигания под подом печи. В этом случае под печи будет всегда горячий. Менее удобны выносные топки печей. Совмещать камеры сжигания с рабочим пространством печи можно только при использовании газообразного топлива. В газовых печах осуществляется наиболее полное смешение газа с воздухом, в результате чего нет необходимости создавать специальные камеры сжигания. Поэтому для газовых печей допускается сжигание топлива в рабочем пространстве печей.

Высокие требования предъявляют к футеровке термических печей. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы должны быть высокого качества. Огнеупорные кирпич и изделия должны быть плотными с наименьшим количеством пор, швы между кирпичами не должны пропускать газы и продукты сгорания. Это требование герметичности кладки особенно важно для печей с контролируемой атмосферой и вакуумных. Условное обозначение материалов для футеровки печей, приведенных в книге, показано в приложении. Большое значение имеет также качество жаростойких и жаропрочных деталей печей.

Некоторые детали печей должны быть стойки против газовой коррозии (радиационные трубы, детали рекуператоров и др.).

Каждая печь должна иметь приборы для измерения и регулирования температуры, а при необходимости и записи ее и для регулирования давления газа и воздуха. Кроме того, печи газовой цементации и нитроцементации должны иметь приборы для автоматического регулирования углеродного потенциала. Печи, предназначенные для быстрого нагрева  как, например, печи-ванны, должны быть снабжены специальными автоматическими минутными часами.